Технологии печати трехмерных объектов - вовсе не тайна за семью печатями. Как работают и что умеют 3D-принтеры сегодня?

Уже давно такое устройство как принтер стало обыденной частью жизни человека. В наше время принтер есть почти в каждом доме, что уж говорить об офисах и различных организациях. В своё время возможность вывести на бумагу текст или изображение было прорывом, революцией. Однако потребности человека не стоят на месте, и теперь мы говорим о трёхмерной печати. Уже достаточно давно шла речь о создании устройств трехмерного сканирования и печати, а недавно появились машины, которые способны воспроизводить 3D-объекты.

Пока что технологии, позволяющие воспроизвести трёхмерную модель, нельзя назвать сильно распространёнными, но даже сейчас можно столкнуться с мнением, что появление 3D-принтеров может перевернуть промышленность и серийное производство. Cоздание моделей всегда требовало наличия определённого рода специалистов, отдельную трудность представляло собой изготовление сложных по форме или мелких деталей, которое требовало максимального приложения усилий и времени. Теперь же использование технологий 3D-печати позволяет получать модели без их инструментарного изготовления. При этом некоторые модели могут быть работоспособными прототипами, а не только использоваться для оценки дизайна изделия.

В профессиональной среде данную технологию нередко называют "быстрым прототипированием" (RP - rapid prototyping). Время, затрачиваемое на реализацию 3D-проекта, исчисляется днями, а иногда часами, что в разы уменьшает временные затраты на создание моделей.

Быстрое прототипирование

Так в чём же суть технологии быстрого прототипирования? В программное обеспечение, поставляемое с совместно с 3D-принтером, загружается файл. После этого необходимо установить модель в так называемой "зоне построения", которая отображается на экране монитора, а дальше можно запускать процесс печати.

У пользователя сразу возникает вопрос, в каких именно системах автоматического проектирования должен быть разработан файл, используемый для печати на 3D-принтере. Всё довольно просто: это может быть любое 3D-приложение (например, 3ds Max, SolidWorks, Pro/Engineer, Rhinoceros и т.д.), которое работает со стереолитографическими файлами. Такой файл имеет расширение STL и рассматривает любой объект как совокупность поверхностей, а каждую поверхность описывает как совокупность треугольников.

На программном уровне модель разбивается по слоям в горизонтальной плоскости с толщиной, установленной в настройках 3D-принтера. После этого отдельные слои поочередно отправляются на печать.

На аппаратном же уровне процесс 3D-печати зависит от технологии разработчика. В основе любого из способов прототипирования лежит принцип послойного создания ("выращивания") твёрдого объекта. Основными различиями между технологиями являются материал, из которого изготавливается модель, и способ его нанесения.

В целом же принцип таков: на элеватор установки наносится тонкий слой материала, который воспроизводит первое сечение изделия, затем элеватор смещается на один шаг, и наносится следующий слой. Таким образом, воспроизводится полный набор сечений модели, постепенно "выращиваемой" из материала.

На элеватор установки наносится тонкий слой материала, который воспроизводит первое сечение изделия, затем элеватор смещается на один шаг, и наносится следующий слой. Таким образом, воспроизводится полный набор сечений модели, постепенно "выращиваемой" из материала.

Изначально технологий быстрого прототипирования разрабатывалось довольно много, и в мире существует несколько компаний, занимающихся изготовлением RP-установок. Мы остановимся на наиболее распространённых технологиях и рассмотрим их подробнее.

Стереолитография (SLA - Stereo Lithography Apparatus)

Стереолитография - самый первый и наиболее распространенный метод прототипирования.

Принцип метода таков: жидкий фотополимер слой за слоем засвечивается ультрафиолетовым лазером или ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, после чего затвердевает и превращается в прочный пластик. Элеватор установки находится в емкости с жидким фотополимером и после затвердевания очередного слоя смещается вниз с шагом 0,025-0,3 мм.

Эта технология привлекает относительно небольшой стоимостью прототипа, а также тем, что материал довольно легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. Хорошее качество поверхностей позволяет оставлять прототип без доработки. Однако стоит учитывать, что для изготовления моделей используется достаточно твердый, но хрупкий материал, который подвержен повреждениям под влиянием влаги.

Производители: 3D Systems, F&S Stereolithographietechnik GmbH, Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН.

Технология SLS (Selective Laser Sintering - лазерное спекание порошковых материалов)

В SLS-технологии в качестве рабочего материала могут использоваться порошковый пластик, металл или керамика (к слову, это единственная технология, которая может быть применена для изготовления металлических деталей или формообразующих для пластмассового и металлического литья).

На рабочую поверхность наносится тонкий слой порошка, который спекается лазерным лучом, формируя таким образом твердую массу, соответствующую сечению 3D-модели. Прототипы, изготовленные при помощи SLS-технологии, обладают хорошими механическими свойствами и вполне могут быть использованы для создания полнофункциональных изделий.

Производители: 3D Systems, F&S Stereolithographietechnik GmbH, The ExOne Company / Prometal, EOS GmbH.

Технология FDM (Fused Deposition Modeling - послойное наложение расплавленной полимерной нити)

Данная технология предусматривает использование нитей термопластичного моделирующего материала (например, поликарбоната или воска), диаметр которых составляет 0.07 дюйма (1,78 мм). Моделирующий материал подаётся через экструзионную (выдавливающую) головку с контролируемой температурой, в которой нагревается до полужидкого состояния. Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание, нити выдавливаются с очень высокой точностью. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются друг с другом.

FDM-технология используется для производства выплавляемых моделей для литья металлов и для получения образцов изделий, по своим функциональным возможностям приближенных к серийным.

Производители: Stratasys Inc.

Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling)

Существует несколько различных запатентованных разновидностей этой технологии:

• MJM (Multi-Jet Modeling) - 3D Systems;
• PolyJet (photopolymer jetting) - Objet Geometries;
• DODJet (Drop-On-Demand-Jet) - Solidscape.

Все вышеперечисленные технологии имеют свои особенности, однако функционируют они по одному принципу.

Каждый слой формируется печатающей головкой, которая содержит в себе несколько сопел и наносит модельный и поддерживающий материалы на горизонтальную движущуюся платформу. Материал расплавляется в системе подачи материала ещё перед тем, как попадает в печатающую головку. После нанесения слоя проводится его фотополимеризация и механическое выравнивание. В качестве поддерживающего материала обычно используют воск, а в качестве модельного - различные материалы, которые близки по свойствам к конструкционным термопластам.

Данный метод позволяет получать прототипы с различными механическими свойствами - от резиноподобных до твердых. Одной из ключевых особенностей технологии MJM является возможность воспроизводить 3D-модели с высокой точностью.

Производители: 3D Systems, Objet Geometries Ltd., Solidscape, Inc.

Технология склеивания порошков (Binding Powder by Adhesives)

В качестве основного рабочего материала обычно используется крахмально-целлюлозный порошок и жидкий клей на водяной основе, за счёт которого производится соединение материала. Клей поступает из струйной головки и связывает частицы порошка, тем самым формируя контур модели. По окончании построения излишки порошка удаляются механически. Имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском, это делается для того, чтобы увеличить прочность модели. Для увеличения прочности модели могут использоваться и различные пропитки.

Особенность этой технологии в том, что она позволяет не просто создавать 3D-объекты, но и сразу окрашивать их. Это происходит за счёт использования разноцветных клеящих веществ, а также за счёт использования нескольких струйных головок, из которых поступает клей.

Производители: Z Corporation

Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов)

Слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумажного листа. Луч лазера вырезает контур сечения в верхнем слое, а поверхность, которую затем нужно будет удалить, режется лазером на мелкие квадратики.

Каждый новый слой соединяется с предыдущим за счет прокатки термоваликом, создается новое сечение, которое затем также вырезается. После того, как изделие было полностью изготовлено, мелко порезанные излишки материала легко удаляются вручную. Затем поверхность модели, как правило, шлифуется, полируется или окрашивается.

Структура полученного прототипа получается похожей на древесную и может разрушаться под воздействием влаги.

Производители: Helisys, Inc.

SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску

Эта технология предусматривает распыление по стеклянной пластине специального фоточувствительного тонера, в результате чего создаётся изображение слоя, образующее его "фотомаску" - фотошаблон. Тонкий слой смолы распределяется по поверхности рабочего стола, затем он и находящийся над ним фотошаблон слоя засвечиваются на несколько секунд ультрафиолетовой лампой. В результате слой смолы затвердевает. Излишки смолы удаляются вакуумом, а полости модели заполняются расплавленным воском, который быстро затвердевает и обеспечивает поддержку для следующих слоёв. После этого слой механически обрабатывается для получения гладкой поверхности и точной высоты слоя. Для окончательного формирования слоя полученная деталь вновь облучается ультрафиолетом. Процесс повторяется до полного построения модели.

Производители: Cubital Inc.

Подведём итоги

Хочется сказать, что появление устройств, способных создавать трёхмерные объекты, вызывает повышенный интерес.

В настоящее время применение 3D-принтеров как в быту, так и в масштабах производства вряд ли возможно из-за стоимости их покупки и эксплуатации (цены на 3D-принтеры варьируются от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч долларов), однако разработчики RP-установок в последнее время ориентируются в основном на оптимизацию продукции и выпуск недорогих и быстрых машин, стремясь снизить стоимость и увеличивая объём рабочей камеры (на сегодняшний день их размеры варьируются от 8х8х8 дюймов до 32х22х20 дюймов, что сильно ограничивает пользователя). Тем не менее, темпы развития технологий позволяют предполагать, что через несколько лет подобные установки не будут восприниматься как нечто необычное, а станут использоваться повсеместно.

В настоящее время применение 3D-принтеров как в быту, так и в масштабах производства вряд ли возможно из-за стоимости их покупки и эксплуатации.

Absinthium