3D-принтер — большой потенциал для объемной печати

3D-принтеры

Просмотр видеороликов, в которых 3D-принтеры создают знакомые объекты, действительно завораживает и оставляет неизгладимое впечатление. Трудно поверить, что скоро с помощью этих систем можно будет создавать все, что угодно.

Теперь это реальность. После десятилетий исследований и разработок потенциал 3D-принтеров открыл путь для их интеграции в различные сферы, такие как производство, наука, повседневная жизнь и развлечения. Однако для того чтобы точно предсказать будущее 3D-печати и понять, как она работает, необходимо разобраться в ее истоках.

Мир принтеров

Завораживающее зрелище 3D-принтеров, создающих знакомые предметы на видео, производит неизгладимое впечатление. Интригует мысль о том, что в ближайшем будущем с помощью таких систем можно будет создавать практически все.

Это не просто фантазия. Потенциал 3D-принтеров, отточенный десятилетиями, обеспечивает их растущую интеграцию в различные сферы производства, науки, повседневной жизни и развлечений. Чтобы понять, за чем будущее 3D-печати, и разобраться в ее работе, необходимо обратиться к ее истокам.

История появления 3D-принтера

В 1980 году Хидео Кодама, докторант Научно-исследовательского института Нагои в Японии, провел исследование послойной объемной печати моделей (прототипирование). В том же году он опубликовал работу под названием "Автоматическая подготовка трехмерной модели для отображения трехмерных данных" подробно описывая результаты своих экспериментов.

В отдельной публикации Кодама представил метод автоматического изготовления пластиковых 3D-деталей с помощью фотоупрочнения. В этой публикации практически описаны основные принципы работы 3D-принтера: использование фотополимеров для создания моделей, применение лазерного излучения для полимеризации и последовательный процесс наслоения. Хотя Кодама подал заявку на патент на свое изобретение, он не получил его, в итоге отказавшись от притязаний на роль пионера технологии 3D-печати.

В 1984 году группа французских исследователей в составе Алена Ле Меюта, Оливье Де Витта и Жана Клода Андре подала патентную заявку на систему, которая использовала стереолитографию для создания 3D-моделей путем послойного нанесения полимеров, отверждаемых лазером. К сожалению, заявка была отклонена крупными французскими компаниями из-за отсутствия практического применения технологии.

Однако всего через две недели после отклонения французской заявки американский изобретатель по имени Чак Халл подал свой собственный патент на систему стереолитографического моделирования. Система Халла предусматривала добавление слоев с помощью ультрафиолетового лазерного отверждения жидких фотополимеров. В 1986 году был получен патент, и он основал компанию 3D Systems для производства этих новаторских 3D-принтеров, основанных на методе SLA (лазерной стереолитографии). Одним из значительных вкладов Халла стала реализация G-кода, который позволял печатать сложные объекты определенной формы.

В конце 1980-х годов были запатентованы еще два метода быстрого создания прототипов: система селективного лазерного спекания (SLS), разработанная американцем Карлом Декардом, и моделирование методом термоядерного осаждения (FDM), разработанное американцем Скоттом Крампом. Технология SLS предполагает послойное спекание металлического или пластикового порошка с помощью лазерного излучения для формирования нужной детали. В методе FDM нагретый пластик — материал, используемый в 3D-принтере, — наносится печатающей головкой на предыдущий слой.

Эти вышеупомянутые методы служат основой для большинства технологий объемной печати и будут рассмотрены далее. А сейчас давайте вкратце коснемся поворотов технологического прогресса.

Возможно, некоторые удивятся, узнав, что объемная печать на самом деле разрабатывается уже более 30 лет. Многие считают, что это скорее недавнее техническое достижение нашего века, чем что-то из прошлого.

Известно, что патенты на фундаментальные технологии прототипирования принадлежали Чаку Халли, Карлу Декарду и Скотту Крампу. В 2001 году Карл Декард продал свой патент Чаку Халли. К сожалению, компании, ориентированные на потребительский рынок, не смогли (или не захотели) наладить переговоры с владельцами патентов. В результате производство 3D-принтеров в течение значительного периода времени было ограничено дорогостоящими промышленными предприятиями.

Однако все изменилось после 2010 года, когда срок действия патентов истек, и на рынке появились первые массовые 3D-принтеры. Это вызвало любопытство у людей, которые начали интересоваться концепцией 3D-печати.

Как только люди получили представление о том, на что способен 3D-принтер, они стали охотно приобретать такие передовые устройства. Рынок быстро отреагировал на этот спрос, что привело к быстрому насыщению рынка и последующему снижению цен.

Как это работает

Давайте подробнее рассмотрим принципы работы 3D-принтера, различные технологии, а также плюсы и минусы, связанные с каждой из них.

Технология объемной печати SLA

Технология подразумевает использование жидкого фотополимера в качестве материала, который затвердевает под воздействием ультрафиолетового лазерного излучения. Процесс объемной печати осуществляется поэтапно, при этом каждый слой полимера отверждается лазером за один проход. После этого подвижная основа погружается в жидкий полимер, что позволяет сформировать дополнительный слой, и процедура повторяется.

• Система обеспечивает качественную поверхность конечного изделия, независимо от его формы, исключая необходимость дополнительной обработки.
• Конечный продукт обладает отличной механической прочностью и может выдерживать температуру до 100°C.
• С его помощью можно получать сложные и многоуровневые готовые изделия.
• В процессе не образуются отходы.
• В качестве рабочего материала используются только фотополимеры.
• Объемная цветная печать недоступна.
• Принтер работает на относительно низкой скорости — 2-3 см в час.
• Устройство и рабочие материалы дорогостоящие, минимальная стоимость для широкого потребления составляет 300 000 рублей.

Технология объемной печати SLS

Процесс печати по технологии SLS предполагает использование различных материалов, таких как металл, стекло, пластик и т. д. Эти материалы находятся в виде порошка с размером частиц около 100 микрон.

Перед использованием порошок помещается в специальную емкость и нагревается почти до температуры плавления. Этот процесс нагрева обеспечивает снижение мощности лазера. Кроме того, для разравнивания порошка используется ролик. Участки объекта, подлежащие спеканию, затем обрабатываются лазерными импульсами. После этого стол опускается до нужной толщины слоя, и процесс повторяется со свежим слоем порошка.

Хотя технология 3D-печати SLS не дает высококачественных результатов, требуется дополнительная обработка. Обычно используются рабочие материалы, содержащие специфические полимерные добавки, которые необходимо удалить в процессе прокаливания в специализированной печи, чтобы получить желаемый конечный продукт.

Разработана и внедрена технология использования электронного пучка с высокой энергией, а не лазерного излучения. Эта технология требует использования вакуумной камеры, но позволяет создавать детали из прочных металлов, включая титан.

• Возможность получения готового изделия сложной формы из различных рабочих материалов;
• Большая скорость работы (по сравнению с SLA);
• Подходит для мелкосерийного производства;
• Наличие высокой мощности лазера, что может представлять угрозу безопасности при работе;
• Поверхность готового изделия требует дополнительной обработки;
• длительные этапы предварительной и последующей обработки (требуется нагрев порошка и отжиг изделия в печи);
• Высокая стоимость (от примерно 1 миллиона рублей).

+

Технология объемной печати MJM (метод многоструйного моделирования)

При этом методе объемной печати печатающее устройство включает в себя головку с несколькими десятками — несколькими сотнями сопел малого диаметра.

В качестве рабочего материала в данном методе используются различные пластики, фотополимеры, специальные воски или их комбинация. Для получения объектов сложной формы из-за мягкости рабочего материала необходимы поддерживающие конструкции.

В фотополимерный 3D-принтер встроена ультрафиолетовая лампа для полимеризации напечатанных объектов.

Этот метод также позволяет печатать в цвете, который определяется используемыми материалами или их сочетанием.

• Эта система позволяет наносить слой минимальной толщины, в результате чего конечный продукт получается с гладкой поверхностью, не требующей дополнительной обработки.
• Объемная печать с использованием различных цветов и веществ;
• Отличная портативность;
• Прототипы сложной формы требуют использования опорных конструкций;
• Существует ограниченный ассортимент материалов, доступных для использования.

Технология объемной печати LOM (метод послойного наклеивания пленки)

В качестве подложки при этом методе объемной печати используются листы бумаги или пластика (в некоторых системах — фольги). Листы протягиваются через платформу, покрытую клеем, с помощью роликов. Нагретый валик прокатывает и скрепляет лист с предыдущим слоем.

Затем лазер обрезает излишки материала в соответствии с запрограммированным шаблоном, после чего платформа опускается до толщины используемого листа, и весь процесс повторяется.

Эта технология обеспечивает быструю работу и экономичность расходных материалов. Однако этот метод не получил широкого распространения.

• Конечный продукт может быть напечатан в цвете.
• Доступность материалов для печати.
• Возможность создания сложных, больших объектов.
• Отсутствие необходимости в использовании опорных рам.
• Готовое изделие обладает низкой прочностью;
• Существует вероятность появления дефектов на поверхности объекта после его дополнительной обработки;
• Имеется значительное количество отходов.

Технология объемной печати CJP

• В устройстве, работающем по данной технологии объемной печати, используется гипсовый композитный материал.
• Слои в устройстве соединяются путем их склеивания специальным веществом.
• Сначала композитный порошок равномерно распределяется по поверхности платформы.
• Для разравнивания композитного порошка используется специальное устройство.
• Печатающие головки принтера наносят жидкое связующее по заранее заданному контуру.
• Затем платформа опускается, и процесс повторяется.
• Готовое изделие требует дополнительной обработки, включая нагрев для высыхания клея и механическое удаление излишков порошка.
• Технология CJP поддерживает цветную объемную печать путем введения красителей или их комбинаций в клеевой состав.
• Это позволяет добиться широкой цветовой гаммы в конечном продукте.
• Возможность изготовления сложных, многоцветных изделий разнообразных форм без каких-либо поддерживающих элементов.
• Ограниченный выбор рабочих материалов;
• Для конечного продукта требуется дополнительная постпроизводственная обработка
• Конечный продукт имеет более низкий уровень прочности.

Технология объемной печати FDM

Термопринтеры, также называемые FDM-принтерами, завоевали популярность благодаря своей доступной цене. Эти устройства можно приобрести всего за 500 долларов. Но какой механизм лежит в основе работы термопринтера?

В термопринтере материалом для печати служат легкоплавкие пластмассы. Однако существуют также варианты объемной печати, в которых используются металлы с низкой температурой плавления.

Процесс печати происходит шаг за шагом. Каждый новый слой формируется путем нагрева рабочего материала в печатающей головке устройства и нанесения его на слой модели через сопло с одним или несколькими отверстиями. Следуя по заранее заданной траектории, головка покрывает весь контур детали. Затем опускается стол (или поднимается головка в некоторых системах), и этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнут конечный результат.

• Высокая прочность конечного продукта;
• Возможность изготовления объектов больших размеров и замысловатых форм;
• Разнообразие доступных материалов для работы;
• Экономическая эффективность.
• Низкая скорость работы;
• Видимые неровности поверхности готового изделия;
• Объекты сложной формы требуют опорных конструкций;
• Термоиндуцированная усадка (уменьшение размеров после охлаждения) конечного продукта.
• Необходима дальнейшая обработка готового изделия.

Управление процессом 3D-печати

Конечным результатом процесса 3D-печати является физическое воплощение компьютерной модели, созданной с помощью специализированного программного обеспечения. Управление этим процессом состоит из нескольких этапов.

Создание цифровой модели и ввод данных в печатное устройство

Для цифровой обработки объекта используется специализированное программное обеспечение типа "3D Studio Max" или "AutoCAD" необходимо. Если у вас нет навыков работы с этими программами, рекомендуется обратиться за помощью к профессионалу. Процесс моделирования трудоемкий и может занять несколько дней.

В качестве альтернативы можно использовать специализированный 3D-сканер, но полученная виртуальная модель может иметь пониженное качество.

Если объект, который вы хотите создать, является стандартной вещью, вы можете поискать информацию в Интернете или на специализированных сайтах. Цифровая модель обычно сохраняется в формате STL. После этого специализированная программа-слайсер генерирует G-код, представляющий собой серию команд, управляющих движением печатных компонентов устройства. Пользовательский интерфейс этих программ прост и удобен, что позволяет легко работать с ними.

Подготовка к работе

Этап процесса печати определяется конкретным типом используемого печатного устройства. Например, при подготовке к работе с FDM-системой рабочий стол устройства покрывается специальной пленкой и в него вставляется катушка пластиковой нити. Выбор типа и цвета пластиковой нити зависит от желаемых характеристик конечного продукта. Также важно убедиться, что нить не загрязнена и не повреждена, так как это может сильно повлиять на качество напечатанного объекта.

Стадия печати

Производится автономно. Необходимо обеспечить равномерное нанесение слоев на объект, избегая случаев, когда полимерная нить застывает или становится слишком податливой. Настройки устройства корректируются по мере необходимости.

Дополнительная обработка объекта

При необходимости проводится дальнейшая обработка: конечный продукт подвергается обдирке и полировке. В случае, если при печати объекта сложной формы использовались поддерживающие конструкции (для предотвращения повреждения модели), возникает необходимость их устранения и сглаживания швов.

Где можно использовать 3D-принтер

Применение аддитивных технологий в различных сферах человеческой жизни уже стало возможным благодаря их огромному потенциалу.

Промышленность

Системы 3D-печати сегодня широко используются в производственных процессах. С их помощью изготавливаются модели и прототипы готовых изделий, что позволяет оценить их реальные характеристики. Кроме того, эти системы используются для изготовления сложных форм для нестандартных деталей, а также для производства запасных частей для быстрого ремонта узлов и механизмов. Кроме того, с их помощью можно наладить мелкосерийное производство уникальных изделий, например, деталей для ракетных двигателей.

Медицина

Процесс получения сложных форм ориентирован на создание копий отсутствующих частей человеческого скелета, например, раздробленных костей или отсутствующих фрагментов черепа. Эти формы оказываются незаменимыми при производстве имплантатов, которые впоследствии вживляются в человеческое тело. Кроме того, ведутся обширные исследования по печати человеческих органов, таких как почки или щитовидная железа, которые впоследствии успешно пересаживаются и приживаются в организме человека. Наконец, создание протезов конечностей — еще одна важная сторона этой области.

Архитектура и строительство

Изготовление презентаций архитектурных проектов путем создания 3D-моделей зданий. Появление технологии прототипирования жилых конструкций произвело революцию в этой отрасли. Используя этот инновационный процесс, теперь можно за несколько часов напечатать дом, на что при традиционных методах строительства обычно уходит несколько дней.

Образование

Приобретение образовательных инструментов, способствующих достижению новых рубежей в обучении. Создание сложных объектов с разнообразными контурами, например графических представлений алгебраических уравнений. Улучшает пространственное восприятие учащихся.

Космос

Была выдвинута инициатива по внедрению технологии 3D-печати в космос: идея состоит в том, чтобы использовать эту технологию для строительства базы на Луне, используя лунный реголит в качестве основного материала.

Малый бизнес

Работа с 3D-принтерами дает возможность проектировать единственные в своем роде предметы, создавать миниатюрные фигурки с помощью напечатанных кукол, которые имеют поразительное сходство с клиентами, и изготавливать на заказ аксессуары для одежды… Безграничный потенциал. Аддитивные технологии позволяют творческим предпринимателям уверенно занять свою нишу в мире бизнеса.

Брать или не брать — вот в чем вопрос

Подробно рассказав о том, как работает 3D-принтер, мы можем перейти к вопросу о том, стоит ли приобретать такие системы.

Для людей с машиностроительным производством инвестирование в устройства 3D-печати окажется выгодным решением. Хотя цена промышленных моделей может достигать десятков тысяч долларов, включение их в производственный процесс приведет к быстрой окупаемости первоначальных инвестиций. Конечно, важно отметить, что они не могут полностью заменить традиционные методы производства.

Тем не менее, интеграция этих устройств позволит оперативно реагировать на запросы рынка, что делает их целесообразным приобретением.

Если предприниматель занимается производством уникальных элементов интерьера, авиа- и судомоделированием или созданием уменьшенных копий архитектурных проектов, ему может быть выгодно инвестировать в 3D-принтер. Это удовлетворит желание людей иметь уникальные вещи и может стать разумным приобретением. Однако если их бизнес не связан с этими сферами, покупка 3D-принтера будет невыгодной.

В заключение следует отметить, что важно рассмотреть необходимость приобретения 3D-принтера для личного пользования. Стоимость системы FDN составляет около 500 долларов. Однако, возможно, это не совсем оправданное вложение средств, так как это устройство — скорее демонстрация возможностей, чем инструмент для производства практичных вещей для дома. Кроме того, качество готовой продукции зачастую оставляет желать лучшего.

Игрушки, произведенные с помощью 3D-принтера, обычно стоят дороже, чем те, что можно купить в традиционном магазине. Следовательно, на данный момент приобретение 3D-принтера для домашнего использования не должно рассматриваться в качестве первоочередной задачи. Однако для человека с богатым воображением, ищущего новые возможности для самовыражения во всех сферах жизни, приобретение принтера может стать катализатором раскрытия его уникального потенциала.