3D принтирането е технология, която използва предварително зададени виртуални инструкции с цел да създаде физически (материален) триизмерен обект.

Видове процеси за 3D принтиране

Всички съществуващи в момента процеси за 3D принтиране имат няколко общи черти: обектите се изграждат чрез последователно отлагане на тънки слоеве материал върху подложка; всеки слой представлява напречен пререз на обекта на дадено ниво по оста z; процесът се контролира електронно, чрез един или повече компютри, които в най-общия случай трябва да разполагат със софтуер за създаване и корекция на  файлове, съдържащи информацията за дизайна на обекта; за обработка на информацията в тези файлове и за самия процес на принтиране.

По-долу накратко са  представени някои от най-често използваните процеси в 3D принтирането и материалите, които те могат да използват. Разбира се, съществуват и други, които не са включени в това изложение.

• Екструзионни процеси – работят с течно или полутечно мастило: SLA, FDM, EXT, PolyJet

Основани са на отлагане на последователни слоеве течно мастило (с по-нисък или по-висок вискозитет, в зависимост от конкретния процес), което е топло- или светлочувствително. Отделните слоеве прилепват един към друг след нагряване или облъчване със светлина с определена дължина на вълната (генерирана от светлинен източник – UV лампа или лазер). Ако е с течна или полутечна консистенция, мастилото се изцежда (най-често се използва терминът „екструдира“) от главата на принтера, а ако е по-вискозно, се подава под формата на нишка, която постепенно се развива от ролка или макара.

• Стереолитография (SLA)

3D принтирането чрез стереолитография е исторически най-старият процес. Най-общо казано, стереолитографията представлява създаване на обекти чрез селективна фотополимеризация в реално време на фоточувствителен материал, който се наслоява контролирано върху движеща се платформа. Дължината на вълната на светлината, която се използва е най-често в UV-диапазона, но е възможно да се използва и светлина с друга дължина на вълната в зависимост от използвания материал. Полимеризацията се извършва по радикалов механизъм.

Тъй като облъчването се извършва селективно, някои части на изграждания обект, които в даден момент още не са подложени на облъчване, могат да се огънат и да компрометират целостта на цялата структура. Прилепването на отделните слоеве един към друг се извършва чрез кръстосана полимеризация на молекули от съседни слоеве една към друга. Това отнема известно време и достигането на крайната здравина на обекта може да се забави и след завършването му. Поради това, може да се наложи да се поставят опорни структури на стратегически избрани места в обекта по време на принтирането му, за да се запази зададеният дизайн.  Тези структури се отстраняват след приключването на процеса. Накрая може да се извърши постпроизводствена обработка на завършения обект за подобряване на механичните му качества и външния вид.

На фиг. 3 е представен стереолитографски принтиран модел на вътрешноото ухо на човека.

Фигура 3. Получен чрез SLA принтиране модел на костния охлюв на вътрешното ухо на човека. Източник: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

Неполимеризиралото мастило за SLA обикновено е с течна консистенция. Мономерът обикновено е на основа епоксид или акрил, но се използват и други, като триметиленкарбонат, поликапролактон и полилактид [2-4]. Получените чрез използване на тези материали обекти обикновено имат значителна твърдост, но са сравнително крехки и чупливи. Поради това, SLA най-често се използва за бързо прототипиране и в научно-изследователската дейност (напр. за създаване на твърди подложки за тъканно култивиране). Процесът не е подходящ за производство на обекти, които трябва да имат значителна механична здравина или да са издържливи. Поради естеството на процеса, обектите, произведени чрез стереолитография са чувствителни съм светлината и могат да се изменят значително при продължително съхранение и  дори и да се разпаднат, ако са били изложени продължително време на светлина.

Обикновено SLA не включва използване на разтворители, така че този процес е свързан с нисък риск за изпускане на газообразни замърсители в атмосферата. Тъй като обектите са чупливи, обаче, остатъците от обекти могат сериозно да замърсят околната среда. Тъй като се използва UV светлина за индукция на полимеризация, съществува вътрешно присъщ на процеса риск за случайно излагане на оператора на вредно лъчение; както и риск от увреждане на околните повърхности и предмети. Някои от мастилата, използвани в стереолитографията могат да имат висок канцерогенен и невротоксичен потенциал. Не на последно място, използването на UV води до образуване на озон, което е допълнителен риск за работещите в такива производства.

• Fused deposition modelling (FDM, понякога се обозначава и като fused filament fabrication – FFF)

FDM се основава на контролирана екструзия на нишка от термопластично „мастило“ от нагорещената глава на принтера. Обектът се изгражда върху движеща се платформа, която се смъква контролирано надолу паралелно с нарастването на височината на структурата, за да могат да се добавят следващи слоеве (фиг. 4).

Фигура 4. Базов принцип на работа на 3D принтерите, основани на процеса FDM. Източник: By Gringer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73614647.

В момента на екструзия мастилото е нагрято малко над точката си на топене и е с полутечна консистенция. След нанасянето си мастилото застива и образува предварително зададената форма на съответния слой. Последователните слоеве прилепват един към друг докато мастилото е току-що нанесено и все още с полутечна консистенция. Мастилената нишка се подава автоматично от развиваща се ролка.

Минималната дебелина  на единичния слой при процеса  FDM е 100 μm. Най-често използваните материали са акрилонитрилбутадиенстирен  (ABS), полилактид (PLA) и полиетилентерефталатгликол (PETG). Използват се, макар и по-рядко, и други, напр. полифенилов етер (PPE), полиуретан (PU), полифенилсулфон (PPSP), поликарбонат (PC), полиетеримид (PEI), полиетеркетон (PEEK) и полиамид (PA, известен с популярното си име найлон) [4,5].  Възможно е като мастило при FDM да се използва и поливинилов алкохол (PVA). Тъй като той, обаче,  е водоразтворим,  основното му приложение е за изработване на подпорни структури, които се използват в хода на създаването на 3D принтирани обекти от някакъв друг материал и след завършването на последните се отстраняват.

Един често използван в Европа модел FDM принтер е показан на фиг. 5.

Фигура 5. PRUSA i3 MK2 FDM принтер (Prusa Research, Прага, Чехия) със заредена ролка от мастило и завършен 3D принтиран обект Източник: Wikimedia Commons, http://reprap.org/wiki/File:Prusai3-MK2.jpg.

При FDM принтирането може да се използва термопластично мастило не само под формата на нишка, но  и на  гранули или пръчици. Някои FDM  принтери позволяват и „студена“вариация на FDM процеса, която не използва термопластично мастило (подобен на процеса EXT – виж по-долу). В този случай материалът за печатане е с кашеобразна или пастообразна консистенция [6].

FDM e относително бърз, удобен и евтин метод за 3D принтиране и поради това е много популярен, особено за целите на създаването на модели и бързо прототипиране. Използва се както в научно-изследователската дейност и индустрията (бързо прототипиране – напр. в инженерството; производство на машинни части и пр.), така и от любители (колекционери, създатели на различни малки модели и фигурки); в областта на образованието (различни модели и прототипи в рамките на училишни и университетски проекти); а също така и в модерното изкуство.

Обектите, произведени по процеса FDM са със значително по-висока механична устойчивост от тези, които са произведени чрез стереолитография. Разбира се, крайният резултат (здравина, твърдост, гъвкавост) зависи от конкретно използваните в случая мастила за принтиране. FDM също така предлага добра разделителна способност и поради това много добре възпроизвежда фините детайли на обектите. При някои обекти може да се наложи постпроизводствена обработка.

Недостатъците на FDM принтирането са свързани основно с риска от замърсяване на околната среда  (отпадни води, понякога – разтворители, генериране на прахови частици по време на построизводствената обработка). Бракуваните и изобщо негодните за използване завършени обекти обикновено имат дълъг срок на разграждане и също представляват замърсители на средата.

• Semi-solid Extrusion (EXT)

Подобно на FDM, EXT също е процес, основан на екструзия на полутечно мастило от главата на принтера. В този случай, обаче, материалът не е термопластичен, а е разтворен или суспендиран в среда от разворител, образувайки мастило с гъста пастообразна консистенция. Това позволява процесът да се извършва при ниска температура, което може да е критично важно при някои изследователски задачи (виж по-долу). Както при FDM, обектът се изгражда върху платформа, която се смъква автоматично надолу паралелно с нарастване на височината на обекта.

EXT често се използва в научно-изследователската дейност (за създаване на среди и подложки за тъканно култивиране; нови лекарствени форми за прицелно или контролирано във времето освобождаване на активната субстанция). Този процес има  голям потенциал за приложение в съвременната фармацевтична индустрия [4-9]. Подходящи материали за биологичните приложения на EXT са поливинилпиролидон, полиетиленгликол, метилцелулоза, хидроксипропилметилцелулоза, поликапролактон и други [7-9]. EXT намира приложение и в кулинарията и хранителната индустрия за получаване на ястия, десерти, украси за торти, шоколадови или захарни фигури и пр.  чрез екструзия на ядивни мастила  (фиг. 6).

Фигура 6. Използване на EXT за целите на кулинарията. Източник: Grup de recerca de la Universitat de Columbia – https://www.creativemachineslab.com/digital-food.html, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84202502

EXT процесът прави потенциално възможно 3D принтирането на жива тъкан чрез използване на мастило, съставено от живи клетки, суспендирани в хидрофилен гел.

Тъй като мастилата, използвани за 3D принтиране с процеса EXT не са нито фоточувствителни (както при стереолитографията), нито термопластични (както е при FDM), нанесените слоеве не застиват бързо и не прилепват незабавно един към друг. Поради това, завършеният обект обикновено има нужда от време, през което да се изпари разтворителят и/или да застине напълно.  Обектите, принтирани чрез EXT могат да загубят формата си по време на окончателното си застиване, да се изкривят или да се свият. Минималната дебелина на слоя при процеса EXT е доста висока  – около 800 μm. Това означава сравнително ниска разделителна способност.

• PolyJet

PolyJet е технология, основана на използване на течно мастило. Подобно на SLA, при PolyJet се използват фоточувствителни мастила, които се подлагат на селективна полимеризация чрез UV светлина. Мастилата, обаче, не се полагат послойно чрез екструзия, а се изпускат контролирано на капчици от главата на принтера върху движеща се платформа. При PolyJet технологията за изграждането на един и същи обект могат да се смесват различни мастила, което позволява по-голямо разнообразие на качествата на създаваните обекти.

Мастилата за PolyJet могат да бъдат много различни видове. Могат да се използват  повечето от мастилата, които се използват в процеса стереолитография. Най-често използваните са споменатият по-горе ABS (може да има различни модификации), акрилстиренакрилонитрил (ASA, подобен на ABS, но с по-висока устойчивост на топлина и UV-светлина от ABS), метакрилат, поликарбонат и полиетеркетонкетон (PEKK) както и други мастила. За PolyJet има и специално създадени и патентовани серии мастила  – Vero Polyjet^TM (на американско – израелската компания Stratasys). Сред тях има и такива, специално разработени за целите на медицината и стоматологията  (напр. MED610 и MED620, които се използват основно за бързо прототипиране).

Предимствата на PolyJet процеса са:

– Относително висока разделителна способност (минималната дебелина на слоя е 160 μm), което дава възможност за създаване на обекти с много сложна вътрешна структура и фини детайли;

– Богат избор на материали, което дава възможност за създаване на обекти с най-разнообразни качества (здравина, гъвкавост, цветоотделка);

На процеса са присъщи освен всички общи недостатъци на 3D принтирането (изредени по-горе) и изпарението на субстанции с неприятна миризма и/или опасни субстанции при полимеризацията (особено ако се използва като материал ABS и ASA). Обектите, принтирани чрез PolyJet процеса обикновено имат нужда от постпроизводствена обработка и, в зависимост от използвания материал, могат да бъдат чувствителни към светлина.

• Прахово 3D принтиране

При праховото 3D принтиране материалът (в този случай пак наричан „мастило“) е разпрашен. Както при течно-базираните процеси, прахообразното мастило се нанася послойно под контрола на софтуер. Обектът се изгражда върху движеща се платформа.  Отделните слоеве прилепват един към друг чрез селективна полимеризация чрез облъчване със светлина, инфрачервена енергия или, в немалка част от случаите, с помощта на течно лепило. Лепилото може също да се нанася послойно или да се подава струйно или на капки, в зависимост от мастилото и от конкретния обект. Ако мастилото съдържа активен мономер, се инициира полимеризация чрез изпарение на разтворителя, облъчване или загряване.

Минималната дебелина на слоя може да бъде много различна при различните процеси на прахово 3D принтиране, в зависимост от конкретния процес и от използвания материал. Средната дебелина на слоя при праховите процеси е около 200 µm, но може да достигне до 20-30 µm.  Тази много висока разделителна способност дава възможност да се използва за създаване на сложни обекти, съдържащи множество вътрешни кухини и с фини детайли.

Прахообразните мастила за целите на праховото 3D принтиране се получават обикновено чрез смилане на материала на много ниска температура в топкови мелници. В зависимост от материала, температурата на смилане може да бъде различна, но обикновено се провежда на температура, малко под точката на встъкляване на материала. В процеса на смилане могат да се използват различни криогенни газове – втечнен азот, втечнен въглероден двуокис (т. нар. сухо смилане) или смес от криогенни газове и органични разтворители (влажно смилане).

В най-простия си и популярен вид праховото 3D принтиране се използва за създаване на плътни обекти от гипс или смляно на фин прах нишесте, които се напръскват или обливат с лепило и се оставят да засъхнат. Към прахообразния материал могат да се добавят различни оцветители, пластификатори и други компоненти за постигане на желаните качества на обектите (фиг. 7).

Фигура 7. Гипсови прототипи, създадени чрез прахово 3D принтиране. Източник: S Zillayali, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.

Праховото 3D принтиране си има някои специфични недостатъци. Обектите, създадени с помощта на тази технология могат да имат ограничения по отношение на механичните си качества – те имат висока порьозност и, съответно, ниска механична здравина и устойчивост и могат да бъдат лесно чупливи. Почти без изключение, принтираните по прахов процес обекти трябва да преседят известно време след завършването си, за да се изпарят разтворителите и да се завърши окончателно полимеризацията и за да се постигне окончателната здравина на обекта. Също така, почти във всички случаи се налага постпроизводствена обработка – за отстраняване на излишъка от прахообразно мастило, за подобрение на механичните характеристики на произведения обект  и за подобрение на външния вид на обекта, тъй като повърхностите на обектите също са порьозни (шлифоване, полиране и пр.). Праховите процеси произвеждат голямо количество малки частици, които замърсяват околната среда и представляват сериозен здравен риск за операторите на такива производства и за всички, които могат случайно да погълнат или вдишат такива частици.

Праховите процеси за 3D принтиране успешно се използват към момента в научно-изследователската дейност, медицината, стоматологията и фармацията за производство на имплантируеми медицински изделия,  лекарствени форми с ускорено  или удължено освобождаване на активната субстанция; както и на такива, при които е необходимо пулсово освобождаване на лекарството с определена честота, имитираща естествената секреция на субстанцията в организма [10-12]. За да се гарантира безопасността за потребителя, като мастилени вехикулуми в тези производства се използват метакрилат или етилцелулоза.

• ColorJet

ColorJet не е специфичен процес. Това е регистрирана търговска марка за производство на 3D принтери, използващи прахов процес, както и консумативи за тях. Седалището на компанията се намира в Индия и предлага най-простия и евтин начин за прахово 3D принтиране. Като материал в повечето случаи се използва бял гипс на прах, макар че компанията е разработила и патентовани собствени материали  (напр. серията Visijet C4 Spectrum). Мастилото се наслоява върху движеща се платформа и слоевете се прилепват един към друг с помощта на лепило. Към лепилото могат да се добавят различни бои, така че да се получат обекти с различни цветове.

Минималната дебелина на слоя е около 100 μm, но може да е различна при използване на различни материали. Цената на произведения обект е сравнително ниска. Изобщо, Colorjet е приемливо нискобюджетно решение, ако не е от голямо значение,че произведеният обект има е крехък, чуплив и с висока порьозност. Затова, ColorJet се използва за бързо прототипиране в научно-изследователската дейност; изготвяне на модели за образователни цели; модели за търговски цели, които няма да се съхраняват дълго и/или няма да се подлагат на значителни механични напрежения, и в съвременното изкуство. Някои модели ColorJet принтери използват като мастило хранителен материал, годен за консумация от хора, и с тях се произвеждат по поръчка различни ястия, сладкиши и украси за тях по индивидуална поръчка.

Обектите, създадени чрез ColorJet в повечето случаи имат нужда от постпроизводствена обработка. Излишният гипсов прах трябва да се отстрани (най-често чрез обдухване със струя въздух). Гипсовите обекти задължително трябва да преседят след завършването си, за да се изпари разтворителят в лепилото, иначе ще бъдат меки и ще се деформират лесно. След това обикновено се налага повърхността на обектите да бъде импрегнирана с някакъв друг разтвор (обикновено полимер на база акрил), за да се увеличи механичната здравина и да се запушат повърхностните пори (в противен случай обектът ще адсорбира влага и мазнина от околната среда), като след това отново се налага изчакване за изпарение на разтворителя. Както се вижда, ColorJet използва голямо количество разтворители. Заедно с факта, че праховите процеси изобщо генерират голямо количество малки частици, ColorJet e технология с висок риск за замърсяване на околната среда, носе използва масово поради ниските производствени разходи.

• Selective Laser Sintering (SLS)

При SLS прахообразният материал се нанася послойно и слоевете се прилепват един към друг чрез облъчване с кохерентен сноп светлина, генериран от главата на принтера. Облъчването със светлина частично активира молекулите на повърхността на взаимодействащите слоеве и улеснява прилепването на праха, нанесен във следващия слой. Геометрията на частиците от съседни слоеве се променя при прилепването, така че между две частици се образува мостче (т. нар. necking – Фиг. 8).

Фигура 8. Образуване на ‘мостче’ между частици от два съседни слоя (стрелките). Източник:  Mendoza.755 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76830144

Минималната дебелина на слоя при процеса  SLS е около100 μm.

SLS е приложим основно при 3D принтиране с материали с висока точка на топене и затова най-използвани са металическите мастила. Могат да се използват също някои пластмаси (полиамид, поликарбонат, полистирен и др.), както и термопластични  гуми, стъкла и керамика. SLS се използва често за бързо прототипиране и изпитване на прототипи в научно-изследователската дейност (напр. създаване на субстрати и подложки за тъканно култивиране) и в зъботехниката [11-13]. Към момента, SLS  има ограничено приложение във фармацията, тъй като материалът се подлага на интензивно облъчване и в хода на процеса се генерира допълнително топлина, което може да промени качествата или да инактивира активната субстанция. Ядивни материали, които могат да издържат на висока температура (какао, захар и пр.) също могат да се използват за мастила при SLS за създаване на различни сладкиши и украси за тях.

• Selective laser melting (SLM)

SLM често се разглежда като разновидност на SLS, тъй като мастилата и при двата процеса са най-често на база метални прахове. Има обаче една съществена разлика: докато лазерната глава на принтера при SLS подава само толкова лъчиста енергия, колкото е необходима да разтопи повърхността на съседни слоеве и да създаде мостчета между тях, при  SLM се използва лазер с висока мощност, чиято енергия е достатъчно висока, за да може да разтопи цял метален блок, така че той да застине в желаната форма (подобно на рутинното металолеене).  Обектите, създадени чрез SLM имат доста по-ниска порьозност от SLS, по-хомогенна вътрешна структура и, съответно, по-добра механична издържливост. Недостатък на SLM е, че задължително се налага шлифоване и полиране на обектите по време на постпроизводствената обработка, тъй като външната им  повърхност непосредствено след създаването им е със сравнително едрозърнеста структура.

Electron beam melting (EBM) е разновидност на SLM, която използва поток от електрони вместо лазер. Използват се изключително металически мастила.

• Selective heat sintering (SHS)

SHS работи на същия принцип като SLS, но „мастилото“ е термопластично и, съответно,  прилепването на слоевете един към друг се извършва чрез частично разтапяне и последващо сливане на частици от съседни слоеве.  Главата на принтера генерира голямо количество топлина. Най-често използваният материал при SHS е пластмасата (по-точно – полиамид, но могат да се използват и други полимери).

За всички обекти, произведени чрез SLS или  SHS е възможно изкривяване или свиване на обекта по време на принтирането или след това. Възпроизводимостта е сравнително ниска, т.е. не винаги произведените по един дизайн обекти имат напълно еднакви механични качества, дори да са от един и същи материал и дори от една и съща партида. Постпроизводствената обработка (отстраняване на подпорни структури, шлифоване и полиране, импрегниране и боядисване) е задължителна и при SLS, и при SHS.

• Multi jet fusion (MJF)

MJF представлява съчетание на основния подход на ColorJet (използване на лепила) и на SHS (използване на енергия под формата на топлина за разтапяне на мастилата). Като материал се използва основно полиамид (найлон). Най-общо казано, фино смлян полиамиден прах се полага послойно, облива се или се напръсква с лепило и след това се нагрява селективно под компютърен контрол.  Минималната дебелина на слоя е 80 µm, поради което разделителната способност е много висока. Когато обектът е завършен, обикновено се налага постпроизводствена обработка (отстраняване на излишния прахообразен материал, шлифоване и полиране, и пр.). Порьозността на обектите, произведени чрез MJF е значително по-ниска от тази на обектите, произведени чрез SLS и SHS и поради това външният вид на обектите е по-добър и възпроизводимостта между отделните обекти и отделните партиди е по-висока. Както при всички прахови процеси, образуването и изхвърлянето на малки частици в атмосферата може да е сериозен проблем. Използването на разтворители е допълнителен здравен и екологичен риск

Необходимост от постпроизводствена обработка при различните процеси за 3D принтиране

Не всички обекти, създадени чрез 3D принтиране се подлагат на  постпроизводствена обработка. Понякога от такава просто няма нужда, в други случаи тя би засегнала само външния вид на обекта, а той в конкретния случай може да не е от решаващо значение. Доколко е необходим постпроцесинг зависи от използвания материал; използвания процес; желаните естетически и механични характеристики на обекта; бюджета, с който разполага конкретният потребител, и други фактори, които са строго индивидуални във всеки отделен случай.

Най-общо казано, постпроизводствената обработка може да бъде няколко основни типа:

• Застиване (втвърдяване)

Почти всички 3D принтирани обекти се нуждаят след завършването си от преседяване, за да „узреят“, т.е. да постигнат желаните от потребителя качества (механични характеристики и пр.)  Обектите, създадени чрез екструзионни технологии (особено тези, които са от материал, който се подава на принтера като полутечна суспензия в среда от разтворител), както и тези, получени чрез използване на прахови процеси и импрегнация с разтворител, са особено чувствителни към механични сътресения веднага след като са били завършени. Постпроцесингът в този случай включва времето за изпарение на разтворителя и постигане на окончателната твърдост на обекта. В някои случаи периодът на изпарение може да се ускори чрез усилване на вентилацията на помещенията за съхранение на прясно създадените обекти. Това, обаче, не винаги е успешна стратегия, тъй като при усилена вентилация се повишава риска от изкривяване и напукване на обектите, неравномерно изсъхване и втвърдяване, повишаване на порьозността и т.н.

• Отстраняване на подпорни структури

Обектите със сложна вътрешна структура, съдържащи множество кухини, често не са напълно стабилни по време на процеса на 3D принтиране, докато материалът е още мек и гъвкав. Поради това, по време на самото принтиране може да се наложи да се поставят подпори, които да поддържат временно структурата, докато се постигне  устойчивост. Тези подпори трябва да се отстранят след завършването на обекта и неговото „узряване“.  Това е допълнителен етап на обработка, който увеличава времето за изпълнение на поръчката и нейната цена (особено ако това включва ръчен труд).

При стереолитографията подпорните структури се изготвят обикновено от поливинилов алкохол. Тъй като той е водоразтворим, след като обектът е напълно готов, тези подпори могат да се разтворят във вода и да се отстранят автоматизирано и без следа чрез накисване във вода  или чрез отмиване с водна струя. Този начин за отстраняване на подпори, обаче, изисква значително количество  вода, канализация за отвеждане и деконтаминационна система за отработената вода, което може значително да увеличи производствените разходи.

При праховите процеси като SLS и SHS честа практика е подпорните структури да се правят от същия или някакъв друг прахообразени материал, който обаче не се подлага на облъчване или нагряване и остава под формата на прахови частици. След завършване на обекта, този прах може да бъде изсмукан с помощта на вакуумна система или издухан със струя вода или сгъстен въздух. Това отново е свързано с повишаване на производствените разходи заради инсталиране на такава система за отстраняване на подпори, за деконтаминация на отпадните води и/или за вземане на мерки за намаляване на емисиите на прахови частици.

• Отстраняване на излишен материал

Това е критично важна постпроизводствена стъпка при повечето прахови процеси. Излишният прахообразен материал се отстранява, както беше споменато по-горе, с помощта на водна или въздушна струя или вакуум.

И в двата случая – и при премахване на подпори при прахови процеси, и при отстраняване на „излишен“ материал,  отстраненият материал се губи, т.е. има известен процент „фира“ на материала.

• Шлайфане и полиране

Обработката на повърхността е незадължителен етап от постпроцесинга при обекти, които са с чисто битово значение, но може да е задължително при тези обекти, при които естетичният външен вид е важен. Шлайфането и полирането често е абсолютно задължително при  производството на машинни части, особено тези, за които се очаква да бъдат подложени на механичен стрес (движение, натоварване, триене). При процесите, които произвеждат обекти с висока повърхностна порьозност или с гранулирана повърхност (особено SLM), също почти неизменно се налага обработка на повърхностите

• Запечатване на повърхностни пори

Това се налага при процеси, при които е неизбежно образуването на пори  (SLS и SHS). Обикновено се полагат покрития, които осигуряват хидрофобна запечатка (цианоакрилатни полимери), но могат да се използват и други методи, напр. горещо изостатично пресоване.

• Боядисване

Рядко се налага, тъй като повечето процеси на 3D принтиране използват различно оцветени материали или лепила, къв които се добавят различни оцветители.

Кой процес за кои приложения е подходящ? Основни съображения при избора на технология за 3D печат, подходяща за конкретно приложение

Различните процеси в 3D печатането могат имат припокриващи се приложения. Например, на практика всички могат да се използват за бързо прототипиране. Тъй като, обаче, нуждите на крайните потребители могат да бъдат много различни,  понякога за конкретен проект или конкретно индустриално решение се избира точно определен процес въз основа на приоритетите на потребителя.

Сред съображенията при индивидуалнатта могат да бъдат:

• Видът на материала, който може да се използва за отпечатване на конкретния обект.
• По-голямата част от 3D принтерите в момента могат да използват повече от един вид материал. Архитектурни и изложбени модели, както и модели, направени за образователни цели, могат евтино и бързо да бъдат създадени чрез ColorJet, SLA и FDM, които използват гипс или пластмаси. Малките настолни принтери, които работят на ниска скала и произвеждат любителски модели, обикновено се базират на FDM технология. SLS, SHS и SLM се използват, когато обектите задължително трябва да бъдат направени от метал, метални сплави или специални полимери.
• Достъп до 3D принтер. Обикновено поръчките за 3D принтиране се приоритизират по реда на постъпването и се формира опашка от поръчки. Времето за чакане за изпълняване на поръчката зависи от това налични и достъпни ли са в конкретния регион машини за 3D принтиране и колко са натоварени те. В този случай видът на материала има по-малко значение от достъпността на принтера.
• Съотношение качество/цена на материала. Пластмасата е здрава, лека, гъвкава, лесно достъпна и, с изключение на някои специални пластмаси, е относително евтина, докато металът обикновено е доста по-скъп.
• Производствени разходи. Те се образуват, като се отчете конкретният процес, използвания материал и нуждата от постпроизводствена обработка. Както по-горе беше споменато, за разлика от рутинните производствени технологии, каквито са например щамповането и отливането, увеличаването на скалата на производство при 3D принтирането не винаги намалява разходите да производство и, съответно, единичната цена на обекта. Единичната цена включва не само разходите за производство, но и разходите за постпроцесинг (ако такъв е  необходим), както и разходите, свързани с необходимостта за вземане на  мерки за намаляване на замърсяването на околната среда.
• Вид на процеса. При праховите процеси SHS обикновено предлага по-нискобюджетно решение, отколкото SLS, тъй като закупуването и поддръжката на термична глава на принтера обикновено е по-евтино от това на лазерна глава. Затова обектите, произведени чрез SHS обикновено са по-евтини от тези, които са създадени чрез  SLS.
• Времето за изпълнение на поръчката, включително времето, което се чака на опашка за използване на принтера и постпроизводствената обработка. Малки по размери обекти с неособено сложен дизайн (напр. пластмасови фигурки, малки модели) могат да бъдат отпечатани за минути до часове. Времето за печат се удължава с нарастване на размера на предметите и може да отнеме цял работен ден, а при много големи по размери обекти – до няколко дни, въпреки че последното се случва рядко. Времето за постпроцесинг има значение, независимо дали постпроизводствената обработка включва етапи като запечатване на пори, шлайфане и полиране или просто се налага да се изчака изпаряване на разтворител. Обикновено, при екструзионните процеси и ColorJet накрая има нужда само от преседяване за достигане на оптимални механични характеристики.
• Характеристики на крайния продукт (механични, естетични и пр.)

Пластмасите за 3D принтиране са най-различни видове и обектите, създадени с различни видове пластмаси, могат да се различават много по качествата си. В зависимост от приложението на крайния продукт, може да се подбере различно мастило за принтиране. Пластмасата е мастило на първи избор, ако се цели създаване на множтво бързооборотни модели и прототипи (по-евтините пластмаси). Тъй като много пластмаси са термо- и фоточувствителни, ако това би било проблем при завършените обекти, тогава изборът пада на метално мастило. Металът е материал на избор и при  обекти, които  трябва да имат висока топло- и електропроводимост. Пластмасата се обработва и боядисва лесно, но боядисването, шлайфането  и полирането на металните обекти, обаче,  често изисква специални  бои и апаратура.

Механичната устойчивост на различните пластмаси може да бъде много различна.  Обектите, създадени чрез процеса SLA могат да имат много сложна структура и почти не се нуждаят от постпроцесинг, но почти без изключение са крехки и чупливи и могат да се деформират или разпаднат, ако се съхраняват на светло. Така че SLA е неподходяща, ако се цели създаване на обекти с висока механична устойчивост. Обектите, създадени чрез FDM  са механично значително по-здрави, но в зависимост от използвания материал процесът може да има ограничения. PVA, ABS и PLA са най-евтините и, съответно, най-често използвани мастила за FDM. Обектите, произведени от тези материали, са склонни към деформация. Обектите, създадени от PLA са освен това и чупливи. ABS като материал предлага добри механични характеристики, но то е фоточувствителен и съответно излагането на светлина води до нарушение в характеристиките на обектите. Полиуретан може да се използва при създаване на обекти, при които е важно да имат известна гъвкавост, но този материал старее бързо и след известно време започва да се начупва. По-скъпи, но и по-качествени мастила за FDM са PC, PETG и PPE. Те се използват главно в производството на машинни части и различни инструменти за целите на инженерството и строителството. PETG  може да се използва и за производство на прибори и съдове за хранене. В горния край на скалата на качеството на материалите за FDM са някои специални пластмаси, каквито са, например,  PEI и  PEEK. Те се използват за направа на части и инструменти, които са подложени на сериозен механичен стрес (носещи части, движещи се части) и в случаите, когато устойчивостта на топлина е критично важна.  Както вече беше споменато, при всички 3D принтирани обекти е възможно при голямо напрежение да настъпи разслояване, но при обектите, направени от PEEK, прилепването на слоевете един към друг е много добро и рискът от разслояване е нисък. PEEK обаче е сравнително скъп материал. Друг негов недостатък е високата температура на топене  (343°С), поради което при работа с PEEK   трябва да се използва принтерна глава, която може да се нагрява до много висока температура.

Фармацевтичните приложения на 3D принтирането поставят специфични изисквания, които обикновено могат да бъдат изпълнени от екструзионните процеси, които работят на ниска температура (основно EXT) и някои от праховите процеси (без тези при които се използва голямо количество лъчиста енергия и/или се генерира голямо количество топлина). Ограничение на EXT е ниската разделителна способност. Тъй като минималната дебелина на слоя е почти 1 mm, трудно може да се постигне възпроизвеждане на фини детайл.

Праховите процеси имат много висока разделителна способност. Това важи особено за SLS (но там има ограничения по отношение на материала – работи главно с метални прахове), но MJF (който може да използва и разпрашена пластмаса) също има висока разделителна способност.

Обектите, произведени от повечето прахови процеси обикновено са механично здрави (с изключение на гипсовите обекти, отпечатани с ColorJet). Вътрешно присъщата им порьозност, обаче, може да наруши иначе добрите им механични свойства. Когато последното е от критична важност, SLM е процесът на избор, при условие че се извърши съответната постпроизводствена обработка.

Риск от замърсяване на околната среда (свързана с производството, постпроцесинга или с биоразградимостта на бракуваните или изхвърлени ненужни обекти). Екструзионните и някои от праховите процеси са свързани с отделяне на голямо количество изпарения от разтворители. Праховите технологии, в допълнение, генерират и големи количества малки частици. Всичко това имат значително вредно влияние върху околната среда и трябва да бъдет взети специални мерки за намаляването емисията на замърсители (филтриранe, обеззаразяване и пр.).

Софтуер, който се използва за целите на 3D принтирането

3D принтерът се управлява от информацията, която му е подадена като дизайн файл, записан на цифров електронен носител. Файлът съдържа информация за серия от напречни прерези на обекта, който се принтира, всеки на различно ниво по оста z. В хода на същинското принтиране всеки следващ слой, който се нанася, може да бъде еднакъв или различен от предходно нанесените слоеве. Това се определя от информацията, която се съдържа в съответстващия на този слой напречен пререз във файла. Ако обектът, който се изгражда, е със сравнително проста структура и не съдържа фини детайли, тя може да бъде зададена във файла с по-малък брой напречни прерези, докато един обект със сложен външен и вътрешен строеж ще е представен от по-голям брой прерези.

Всеки пререз представлява затворен многоъгълник, който отразява структурата на обекта на това конкретно ниво. Напречните прерези трябва да могат да се наслагват последователно по оста z и не може да се припокриват или пресичат един друг. Желателно е дизайнът на файла да е направен така, че между отделните прерези да няма (много рядко) или да има минимален брой празнини, на които не съответства никакъв пререз. Тъй като не винаги изпълнението на тези изисквания е възможно на 100 %, софтуерите за обработка на дизайн файлове обикновено могат автоматично да коригират малки грешки и несъответствия, без това да се отрази съществено на формата и структурата на обекта.

Изображения, получени с помощта на софтуер за computer-assisted design (CAD) са най-често използваните информационни източници за 3D принтиране. Конвенционалните двуизмерни DWG изображения, които се генерират от често използваните CAD софтуери (какъвто е например AutoCAD) също могат да се използват, макар че се налага те да бъдат предварително конвертирани  в триизмерни изображения от специален, предназначен за това софтуер, какъвто е например Sketchup Pro.

Файловият формат STL (Standard Tessellation Language, стереолитографски файл) е първият, който е бил специално създаден за целите на 3D принтирането. STL форматът е бил разработен през 80-те години на ХХ век от компанията 3D Systems, основана от изобретателят на стереолитографията Чарлз Хъл. Освен AutoCAD, други често използвани  CAD софтуери, които могат да експортират в или да конвертират други файлове до STL формат са  Alibre, Mechanical Desktop, I-DEAS, SolidDesigner, ProE and и много други. Могат да се използват и онлайн ресурси за конвертиране на други файлови формати до STL. Такъв онлайн конвертор, например, е AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).

Като информационен източник за 3D принтиране могат да се използват и изображения, получени от 3D сканиране на различни обекти или чрез фотограметрия на обикновени двуизмерни изображения, получени чрез заснемане с цифрова камера. Разработени са множество различни софтуери  за фотограметрия, които дават добри резултати. Повечето работятв информационна среда Microsoft Windows (такива са, например, Zephyr3D, PhotoModeler, PhotoSynth и др.), но има и такива, които са базирани на други операционни системи – Linux и MacOS (напр.  Pix4D Mapper, Metashape, OpenDroneMap, и др.). Подробен списък на често използваните софтуери за фотограметрия с базовите им характеристики може да бъде прегледан тук: https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software

В зависимост от качеството на информацията, записана в дизайн файла, крайният резултат от 3D принтирането може да бъде различен  – от идентичен със замисъла на потребителя или създателя на файла, до нещо доста по-различно от очакваното. Обикновено използването на CAD файлове е свързано с допускане на много по-малко грешки и, съответно, много по-малко различия с първоначалния замисъл, отколкото използването на файлове, получени по някакъв друг начин. Такива грешки във файловете подлежат на корекция на по-късен етап.

Ако не е наличен или не е достъпен STL файл за конкретен модел,  такъв първо трябва да се създаде с помощта на някой от специализираните софтуери за моделиране, какъвто е например AutoCAD (или някой друг такъв, напр. тези, изредени по-горе). Действително, повечето професионални софтуери за 3D моделиране са платени, но са налични и такива, които могат да се използват безплатно. Последните са предназнчени основно за образователни цели или за използване от любители. Такива софтуери са FreeCAD, 3D Slash, TinkerCAD, Vectary, SketchUp, Leopoly, Sculptris, Rhinoceros и други. Полученият STL файл, представящ модела, се подлага на обработка от друг вид софтуер, който генерира сериите от напречни прерези по оста z, които съответстват на отделните слоеве. Този вид софтуер популярно се нарича „резачка“. Такива са, например, Repetier, OctoPrint, Z-Suite, Tinkerine Suite, Cura, PrusaSlicer, Simplify3D, и други. Полученият от обработката с „резачката“ дизайн файл се подава на принтер хоста, който използва информацията в него, за да управлява принтера така, че да се изгради желаният триизмерен обект. Някои софтуери функционират и като „резачки“, и като принтер хостове – например Cura, 3DPrinterOS, OctoPrint, MatterControl и др.

Професионалните софтуери за  3D моделиране обикновено изискват инсталация на машината на потребителя и най-често имат изискване операционната система да е Microsoft Windows.  Безплатните софтуери по-често се предлагат под формата на плъгини за по-често използваните браузери и могат да се използват и с операционни системи, различни от Windows.

STL файловете представят обекта, който подлежи на моделиране в цифров видпод формата на триангулачна мрежа. Тя описва повърхността на модел на обекта, създаден с помощта на CAD софтуер. Всяка повърхност на обекта се описва в STL файловете под формата на мрежа от съседно разположени триъгълници. Илюстрация на този подход е представен на фиг. 9.

Фигура 9. Полигонална мрежа, представяща 3D изображение на делфин. Източник: Chrschn, Public domain, via Wikimedia Commons.

Разположението на тези триъгълници в мрежата се подчинява на набор от предварително дефинирани правила. Основните правила са четири на брой:

• Правило „връх към връх“: всеки триъгълник трябва да има два общи ъгъла със съседните триъгълници;
• Правило на дясната ръка: ъглите трябва да са листвани във файла по ред, обратен на движението на часовниковата стрелка;
• Правило „нормалата навън“: посоката на нормалния вектор трябва да сочи навън;
• Правило на плюса: всички координати на ъглите на триъгълниците трябва да бъдат положителни числа.

STL файловете могат да съдържат информация, записана в двоичен код или чрез ASCII код. Файловете с двоичен код обикновено са по-малки като размер и могат лесно да се споделят по електронен път. ASCII-кодираните файлове обикновено се ползват при редактиране и проверка на STL файла, напр. при изпитване на нови CAD интерфейси.

Ако обектите са с много сложна структура, и, съответно, има твърде много повърхности или вътрешни кухини, които трябва да се опишат, STL файловете може да не са подходящи за това. Често използваният и сега AutoCAD може да експортира до STL формат само данни за обекти с плътна вътрешна структура.  Първите STL файлове, създадени през 80-те години, са имали и допълнителни ограничения, свързани с представянето на различни цветове, текстури, материали и на въгрешната структура на обектите. Както вече беше споменато, понякога във файла между отделните повърхности неизбежно се появяват припокривания или празнини, които на практика не могат да се коригират в STL файла и, съответно, не се подават като слоеве на 3D принтера. Поради това, през 2006 г. се появи подобрена версия на  STL формата, която впоследствие стана нов основен файлов формат за CAD  –  Additive Manufacturing File format (AMF) [14].  Все още, обаче, много използвани и в момента 3D принтери (и особено тези, които работят на ниска производствена скала) използват предимно и изключително STL файлове.  На AMF файловете не е присъщ проблема на STL с представянето на вътрешната структура на обектите, тъй като те не използват мрежа от допиращи се двумерни триъгълници, а триизмерни извити триъгълни сегменти и триъгълници, допиращи се не само със страните си и споделящи ъгли        , а и триъгълници, допиращи се „ъгъл в страна“. В AMF файловете може да се запише също информация за цвета и текстурата на подлежащия на принтене обект или отделни негови части, както и редът, в който те трябва да се изпринтят.

Джонатан Хилър, един от разработчиците на файловия формат AMF, поддържа един от най-богатите на информация и удобен за използване сайт, където може да се преглеждат указания и ръководства по CAD дизайн и 3D принтиране, да се използват онлайн CAD ресурси и да се изтеглят безплатно готови дизайни и CAD модели: https://sites.google.com/site/jonhiller/software.

Други безплатни сайтове, предлагащи CAD изображения за AutoCAD и софтуер за 3D моделиране са, например, https://www.arcat.com/, https://www.tinkercad.com/, https://www.sketchup.com/, и други. Един такъв безплатен и предоставен за ползване  3D CAD модел е представен на фиг. 10.

Фигура 10. 3D CAD модел за 3D принтиране. Източник: OKFoundryCompany from Richmond, USA, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.

Достъпни за общо ползване и безплатни STL и други формати дизайн файлове, могат да се изтеглят оттук: www.thingiverse.com, www.youmagine.com, www.myminifactory.com, https://library.zortrax.com/, https://www.cgtrader.com/, https://cults3d.com/en, https://www.youmagine.com/ https://www.turbosquid.com/Search/3D-Models/free/stl,  както и много други сайтове.

Софтуер за редактиране на STL файлове може да се използва онлайн или да се изтегли от много сайтове, между които са: https://www.meshlab.net/, https://www.blender.org/, https://www.freecadweb.org/, https://www.3dslash.net/index.php, https://www.sketchup.com/.