3D принтер большой потенциал объемной печати

Видео, в которых 3D принтеры печатают привычные предметы – завораживающее зрелище, производящее сильное впечатление. Кажется, пройдет немного времени и любая вещь будет изготавливаться с помощью подобных систем.

Это уже не фантастика. Потенциал 3 Д принтера, копившийся десятилетиями, обеспечивает все большую его интеграцию в различные области производства, науки, быта, сферы развлечения. Однако чтобы точно предполагать, в каком направлении пойдет дальнейшее развитие, и как работает 3d принтер, необходимо вспомнить, как все начиналось.

История появления 3D принтера

В 1980 году японец Хидео Кодама, доктор исследовательского института в Нагое, занялся способами послойной объемной печати моделей (прототипированием). В этом году он опубликовал статью «Трехмерное отображение данных путем автоматической подготовки трехмерной модели», описавшей его эксперименты.

В еще одной публикации Кодама представил способ автоматического изготовления трехмерной пластиковой деталей с фотоупрочнением. Практически в публикации был описан принцип действия 3D принтера: использования для получения моделей фотополимеров, применение лазерного излучения для их отверждения, последовательность нанесения слоев. Кодама подал заявление для регистрации изобретения, но патент так и не получил, потеряв, таким образом, право претендовать на первенство в изобретении технологии 3Д печатания.

В 1984 году французские ученые Ален Ле Меают, Оливье Де Витте и Жан Клод Андре подали заявку на регистрацию системы быстрого прототипирования способом стереолитографии – послойного нанесения отверждаемых лазером полимеров. Заявка была отклонена после ее изучения крупными французскими компаниями виду «отсутствия перспективы применения».

Через две недели американец Чак Халл обратился за патентом на разработанную им систему стереолитографического моделирования, в которой слои добавлялись способом отверждения ультрафиолетовым лазером жидких фотополимеров. Патент был выдан Халлу в 1986 году. Изобретатель учреждает фирму (ныне «3D Systems») по выпуску своих систем. Это и были первые принтеры 3D печатания, выполненные по схеме SLA (от англ. laser stereolithography). Еще одной заслугой Халла стало применение G-кода, позволявшее печатать итоговый продукт заданной формы.

В конце 80-х годов патентуются еще два способа быстрого прототипирования: система селективного лазерного спекания (SLS) американца Карла Декарда и моделирование методом наплавления (FDM), автором которого стал американец Скотт Крамп. Способ SLS заключается в послойном спекании металлического или пластикового порошка под воздействием лазерного излучения по форме будущей детали. При использовании метода FDM разогретый пластик – то, чем печатает 3D принтер – наносится печатной головкой на предыдущий слой.

Приведенные способы являются базовыми, на них основывается большинство технологий объемной печати. Подробнее они будут рассмотрены ниже, а теперь несколько слов о зигзагах технического прогресса.

Люди удивляются, узнав, что объемная печать развивается уже более 30 лет. Они уверены, что это – техническое достижение нашего века, а не прошлого.

Дело в том, что владельцами патентов на базовые технологии прототипирования стали 3 человека : Чак Халли, Карл Декард и Скотт Крамп. Причем Карл Декард продал свой патент в 2001 году Чаку Халли. Компании, нацеленные на потребительский рынок, не смогли (или не захотели) найти способы договориться с владельцами прав. В связи с этим, длительное время производились в основном дорогие промышленные агрегаты.

Все изменилось после 2010 года, когда сроки патентов истекли, и первые массовые печатные устройства поступили в продажу. Люди стали интересоваться, что такое 3D печать.

Увидев же, что такое 3Д принтер, многие захотели приобрести такое устройство. Рынок отреагировал быстро. Сейчас происходит его быстрое насыщение, поэтому и цены снижаются.

Как это работает

Рассмотрим более подробно принципы работы 3д принтера, виды используемых технологий, их достоинства и недостатки.

Технология объемной печати SLA

Способ предполагает использование в качестве рабочего материала жидкого фотополимера, который отверждается лазерным излучением ультрафиолетового спектра. Объемная печать идет последовательно, за один проход лазер отверждает один слой полимера. Затем подвижное основание погружается в жидкий полимер на толщину одного слоя и процесс повторяется.

Достоинства:

• система обеспечивает высокое качество поверхности итогового продукта любой формы, не требующей дополнительной обработки;
• механическая прочность и термостойкость (до 100 гр. С) итогового продукта;
• возможность изготавливать сложные, многоуровневые готовые продукты;
• отсутствие отходов.

Недостатки:

• в качестве рабочего материала используются только фотополимеры;
• нет цветной объемной печати;
• низкая скорость работы (два – три см в час);
• высокая цена устройства и рабочих материалов (минимальная стоимость аппарата для широкого потребления составляет порядка 300 тыс. рублей).

Технология объемной печати SLS

Система для печатания по технологии SLS использует различные рабочие материалы: порошок из металла, стекла, пластика и т.д. с диаметром частиц около 100 микрон.

Порошок перед использованием помещается в специальную форму, нагревается почти до точки плавления, что необходимо для уменьшения мощности лазера. Специальный валик разравнивает порошок. Лазерным импульсом спекаются участки объекта. Затем стол опускается на толщину слоя, сверху опять распределяется порошок и цикл повторяется.

Технология трехмерного печатания SLS не обеспечивает высокого качества. Требуется дополнительная обработка итогового продукта. Часто используется рабочий материал со специальными полимерными присадками, для удаления которых изделие необходимо прокаливать в особой печи.

Разработана и применяется технология использования пучка высокоэнергетических электронов вместо лазерного излучения. Такой способ требует применения вакуумной камеры, зато позволяет изготавливать детали из твердых металлов, даже титана.

Достоинства:

• Возможность получения готового продукта сложной формы из разнообразных рабочих материалов;
• Большая (по сравнению с SLA) скорость работы;
• Может применяться для мелкосерийного производства;

Минусы:

• Большая мощность лазера, что может представлять опасно при работе;
• Поверхность готового продукта нуждается в дополнительной обработке;
• Длительные этапы предварительной и постобработки (необходимость разогрева порошка и отжиг изделия в печи);
• Высокая стоимость (минимальная порядка 1 млн. рублей).

Технология объемной печати MJM (метод многоструйного моделирования)

При данном способе объемной печати на головке печатного устройства размещаются сопла малого диаметра в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен сопел.

Рабочим материалом служат различные пластмассы, фотополимеры, специальные воски либо сочетание этих веществ. Из-за мягкости рабочего материала для получения объектов сложной формы необходимы поддерживающие конструкции.

Для отверждения фотополимера 3Д принтер снабжен УФ-лампой.

Имеется возможность печатать в цвете, который задается используемыми материалами или их сочетанием.

Достоинства:

• Система обеспечивает минимальную толщину наносимого слоя, благодаря чему достигается гладкая поверхность готового изделия, не требующая дополнительной обработки;
• Цветная объемная печать и сочетание веществ с разными свойствами;
• Компактность.

Недостатки:

• Необходимы поддерживающие конструкции при прототипировании объектов сложной формы;
• Маленький выбор рабочих материалов для работы.

Технология объемной печати LOM (метод послойного склеивания пленок)

Данный способ объемной печати предусматривает использование в качестве рабочего материала листов бумаги или пластика (некоторые системы используют фольгу). С помощью роликов они протягиваются по поверхности платформы, покрытой клеевым составом. Лист прокатывается разогретым валиком и приклеивается к предыдущему слою.

Затем лазер по заданной программе срезает излишек материала, платформа опускается вниз на толщину используемого листа, и весь цикл повторяется.

Технология обеспечивает высокую скорость работы. Очень дешевые расходные материалы. Однако широкого распространения система не получила.

Достоинства:

• Готовый продукт может печататься в цвете;
• Доступность рабочего материала;
• Возможность создания больших объектов сложных форм;
• Не нужны поддерживающие каркасы.

Недостатки:

• Низкая прочность готового продукта;
• Могут быть дефекты поверхности объекта при ее дополнительной обработке;
• Большой объем отходов.

Технология объемной печати СJP

Рабочий материал, используемый в устройстве, работающем по этой технологии объемной печати – гипсовый композит. Способ предусматривает соединение слоев посредством склеивания специальным веществом. Сначала на всю поверхность платформы наносится композитный порошок. Затем он разравнивается специальным приспособлением.

Печатные головки принтера по заданному контуру наносят жидкое связующее вещество. Затем платформа опускается, рабочий материал разравнивается заново, цикл повторяется. Готовый продукт требует дополнительной обработки: нагревания для высыхания клея и удаление излишков порошка механическим способом. Технология СJP поддерживает цветную объемную печать. Для этого в клеевой состав вводятся красители либо их сочетания, позволяющие получить большую гамму цветов.

Достоинства:

• Возможность создания сложных, цветных объектов разнообразных форм без поддерживающих элементов.

Недостатки:

• Ограниченный выбор рабочего материала;
• Необходимо дополнительной обработки готового продукта
• Низкая прочность готового продукта.

Технология объемной печати FDM

З Д принтеры, работающие по технологии FDM, получили неофициальное название термопринтер. Они широко распространены, благодаря низкой стоимости: устройство можно приобрести по цене от 500 долларов. Как работает термопринтер?

Рабочим материалом здесь служат легкоплавкие пластики. Есть устройства объемной печати, работающие с металлами, обладающие низкой температурой плавления.

Печатание происходит послойно. Для каждого нового слоя рабочий материал в печатной головке устройства разогревает и через сопло с одним или несколькими отверстиями наносится на слой модели. Перемещаясь по заранее заданной траектории, головка наносит его на весь контур детали. Затем стол опускается (в некоторых системах поднимается головка) и процесс повторяется до получения конечного результата

Достоинства:

• Высокая прочность готового изделия;
• Возможность изготовления изделий больших размеров и сложной формы;
• Разнообразие рабочих материалов;
• Низкая стоимость.

Недостатки:

• Невысокая скорость работы;
• Заметная неровность поверхности готового продукта;
• Для объектов сложных форм необходимы поддерживающие элементы;
• Термоусадка (уменьшение размеров после остывания) готового продукта;
• Требуется дополнительная обработка готового продукта.

Управление процессом объемной печати

Процесс получения готового продукта на 3D печатном устройстве – физическая материализация его компьютерной модели, созданной специальным программным обеспечением. Управление процессом трехмерного печатания делятся на несколько этапов.

Создание цифровой модели и введение данных в печатное устройство

Для цифровой обработки объекта необходимо специальное программное обеспечение («3D Studio Max», «AutoCAD» и др.). Если навыки работы с программами отсутствуют, лучше обратиться к специалисту. Процесс создания модели медленный и может занять несколько дней.

Можно воспользоваться специальным 3D-сканером, однако качество виртуальной модели снизится.

Если изготавливаемый объект – типовая вещь, можно поискать информацию в Интернете, на специализированных сайтах. Цифровую модель сохраняется в формате STL.
Затем с помощью специализированной программы-слайсера генерируется G-код – система команд, управляющих движением печатных элементов устройства. Интерфейс программ прост и не вызывает сложностей при использовании.

Подготовка к работе

Этап зависит от типа печатного устройства. Например, перед началом работы FDM-системы на рабочий стол устройства клеится специальная пленка и загружается бобина с пластиковой нитью. Тип и цвет пластика выбирается в зависимости от характеристик готового продукта. Проверяется наличие загрязнений и механических повреждений нити – это влияет на качество получаемого изделия.

Этап печатания

Производится самостоятельно. Необходимо следить, чтобы слои наносились на объект равномерно, не было застывания полимерной нити или ее излишней пластичности. При необходимости вносится корректировка в настройки устройства.

.Дополнительная обработка объекта

При необходимости проводится дополнительная обработка: обдирка и полировка готового продукта. Если при печатании объекта сложной формы изготавливались поддерживающие конструкции (необходимые, чтобы избежать разрушения моделируемого объекта) необходимо их удаление и полировка мест соединения.

Где можно применить 3D-принтер

Потенциал аддитивных технологий уже сейчас сделал возможным их применение в различных сферах человеческой жизни.

Промышленность

Использование систем 3д печатания в производственных процессах стало обыденностью. Изготовление моделей и прототипов готовых продуктов, позволяющих оценить их реальные характеристики. Производство сложных формовочных форм, используемых для изготовления нестандартных деталей. Изготовление запасных частей агрегатов и механизмов для быстрого ремонта. Мелкосерийное производство уникальных изделий (например, частей ракетных двигателей) и т.д.

Медицина

Получение сложных форм – копий недостающих частей человеческого скелета (отсутствующие кости черепа, раздробленные кости и т.д.). По данным формам производятся элементы, которые имплантируются в тело человека. Проведение эксперименты по печатанию органов человека (почки, щитовидной железы), которые пересаживались в организм человека и приживались. Изготовление протезов конечностей.

Архитектура и строительство

Изготовление трехмерных макетов строений для презентаций архитектурных проектов.
Появление технологии прототипирования жилых строений. С ее помощью можно за несколько часов напечатать дом, строительство которого обычными методами занимает несколько дней

Образование

Получение учебных пособий, помогающих достичь нового уровня в образовании. Изготовление объектов сложных форм, являющихся, например, графическим решением алгебраических уравнений. Развивает пространственное мышление учащихся.

Космос

Предложен проект, в котором 3Д-печатные системы будут применены в космосе: с их помощью предполагается построить лунную базу, причем в качестве рабочего вещества планируется применить лунный грунт.

Малый бизнес

Работа на 3Д принтерах позволяет создавать уникальные предметы дизайна, изготавливать миниатюры с участием напечатанных кукол, имеющих портретное сходство с заказчиками, производить аксессуары для одежды по индивидуальным заказам…. Продолжать можно бесконечно. Аддитивные технологии позволяют предпринимателю, обладающему творческим подходом к делу, уверенно найти свою нишу в бизнесе.

Брать или не брать – вот в чем вопрос

Подробно рассказав, как работает 3D принтер, можно разобраться с вопросом о необходимости приобретения подобных систем.

Для владельца машиностроительного производства приобретение 3D печатных устройств станет выгодным вложением средств. Цена промышленных образцов составляет нескольких десятков тысяч долларов, но включение их в производственную цепочку быстро окупит вложенные средства. Ясно, что это не заменит производство полностью.

Однако их внедрение обеспечит быстрое реагирование на запросы рынка. В данном случае – брать однозначно.

Предпринимателю средней руки приобретать устройство можно в случае, если его бизнес – изготовление уникальных элементов интерьера, авиа и корабельное моделирование, производство уменьшенных копий творений зодчества – словом, то, что удовлетворяет интересы людей в получении уникальных вещей. В таком случае 3D принтеры – хорошее приобретение. Если бизнес не связан с этими сферами – покупка будет невыгодной.

В заключение стоит рассмотреть необходимость приобретение 3Д принтера для домашних нужд. Стоимость FDN систему составляет примерно 500 долларов. Но будет ли это выгодной покупкой? Данное устройство является скорее демонстратором возможностей, чем средством для изготовления необходимых в быту предметов. Качество готового продукта часто низкое.

Игрушки, напечатанные на 3Д принтере, по стоимости часто дороже приобретенных в магазине. Поэтому пока приобретение 3Д печатного устройства для домашних нужд не следует рассматривать в качестве приоритета. Но для человека творческого, ищущего во всем новые формы самовыражения, покупка принтера может стать толчком для раскрытия себя с необычной стороны.