Объемная мoдель, «раcпечатанная» c пoмoщью 3D-принтера, бoлее убедительна, чем деcятки чертежей. Оcoбеннo привлекательна технoлoгия трехмернoй печати при изгoтoвлении oпытных или даже уникальных oбразцoв, т.к. при этoм не требуетcя изгoтoвление cпециальнoй ocнаcтки и минимизируетcя ручнoй труд. Машиноcтроение, электронная и электротехничеcкая промышленноcть, полиграфия, медицина, архитектурное моделирование, ювелирное дело, дизайн и многие другие отраcли – вcе это cферы применения для такого cпециализированного оборудования, как 3D-принтеры.
Суть технологии трехмерной печати в том, что непоcредcтвенно по электронным данным, cлой за cлоем, «строится» модель готового изделия.
Существуют различные типы 3D-принтеров, но в основе работы каждого из них лежит принцип послойного создания объекта.
Лазерная печать (стереолитография – SLA)
В данной технологии есть два подвида. И в том, и в другом используется жидкий фотополимер, разница – в способах его отверждения. В одном случае фотополимер засвечивается с помощью ультрафиолетового лазера. Происходит это постепенно, пиксель за пикселем, соответственно – медленно. Для того, чтобы процесс пошел быстрее, вместо лазера используется ультрафиолетовая лампа, которая через фотошаблон засвечивает сразу целый слой. При этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик. Для каждого нового слоя такой фотошаблон печатается на стекле по технологии, которая напоминает лазерную печать.
Стереолитография широко распространена, несмотря на то, что расходные материалы для этой технологии достаточно дороги. К тому же обрабатываемый материал ограничивается только фотополимерами. Тем не менее, то, что в результате можно получить «отпечаток» переданный с точностью до десятых долей миллиметра, перевешивает все «но». Кроме того, к плюсам можно отнести и возможность воспроизводить мелкие детали и достаточно ровную поверхность объекта.
Не стоит думать, что подобное оборудование огромных размеров и требует специального, почти промышленного помещения. Возьмем, к примеру, устройство Prefactory от немецкой компании Еnvisiontec. Это система быстрого прототипирования для конечного пользователя (т.е. можно приобрести и пользоваться). Такой прибор можно поставить даже в обычном офисе. Он не такой уж и громоздкий – для установки будет достаточно трети квадратного метра площади. Засветка производится при помощи технологии DLP (Digital Light Processing) т.е. с использованием микроскопических зеркал, которые расположены в виде матрицы на полупроводниковом чипе. Прототип, полученный на таком принтере, будет иметь размеры около 190×152×230 мм. Скорость печати составляет до 15 мм/ч (в высоту). Задание на Prefactory посылается так же, как и на обычный сетевой принтер. Управляется он встроенным компьютером под управлением Linux, а связь с внешним миром идет по Ethernet через локальную сеть.
Лазерное спекание (Selective Laser Sintering – SLS)
В этой технологии также используется лазер, но, в отличие от SLA, в качестве рабочего материала выступает порошок какого-нибудь относительно легкоплавкого пластика. Процесс происходит таким образом: мощный лазер рисует по слою пластикового порошка сечение заданной модели, затем этот порошок нагревается выше температуры плавления и спекается. Для того, чтобы пластик не загорелся и не стал окисляться, в рабочую зону подается азот. Сверху насыпается следующий слой, и процесс повторяется. И так слой за слоем.
Минусом этой технологии можно считать то, что поверхность полученной детали получается пористой. Зато есть неоспоримые плюсы – полученные методом SLS модели имеют высокую прочность и точность, так что эту технологию, в принципе, можно использовать для малосерийного производства.
Есть и другие важные достоинства. Прежде всего, можно отметить то, что с помощью лазерного спекания можно изготовить модели с подвижными частями – например, с работающими петлевыми соединениями, нажимающимися кнопками и т.д. Во-вторых, для SLS-процесса разработаны специальные материалы, позволяющие напрямую изготавливать металлические детали. В качестве порошка здесь используются микрочастицы стали, покрытые сверху слоем связующего пластика. Спекание пластика происходит как обычно, а затем «отпечатанная» деталь обжигается в печи. При этом пластик выгорает, а освободившиеся поры заполняются бронзой. В результате получается объект, состоящий на 60% из стали и на остальные 40% из бронзы. По своим механическим характеристикам он превосходит алюминий и приближается к классической нержавеющей стали.
Фактически SLS уже сейчас позволяет производить полноценные металлические предметы, причем произвольной формы. Кроме того, имеется аналогичный материал с керамической или стеклянной сердцевиной – из него можно делать модели, устойчивые к высоким температурам и агрессивным химическим веществам.
Возможность использования в качестве рабочего материала не только пластика способна значительно расширить сферы применения моделей, изготовленных на трехмерных принтерах. Изобретение «физиков и лириков» (инженеров и искусствоведов) из Вашингтонского университета нового способа создания объектов из стекла путем лазерного спекания позволяет не просто делать макеты и детали, а использовать их в архитектуре. Технология работы со стеклянным порошком, известная со времен древнего Египта, благодаря современным инновационным методам обрела новую жизнь.
Стекло может быть прозрачным или светонепроницаемым, но выделяется своей неорганической формой вещества (не содержит углерод), затвердевающего из расплавленного состояния без формирования молекулами упорядоченных кристаллических структур.
Ламинирование
Технология, принципиально отличающаяся от двух предыдущих. В данном случае в машину по очереди заряжаются тонкие листы рабочего материала (это могут быть специальная бумага, тонкий пластик, керамика, металлическая фольга и т.п.), из которого затем лазером вырезаются слои будущей модели. После этого слои склеиваются друг с другом.
Объемная модель, изготовленная по одной из этих технологий, может быть сделана достаточного быстро, представлена в качестве образца заказчику или технической комиссии. Мало того, помимо представительских функций, такая модель может выступить в качестве объекта тестирования еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. А это позволяет еще на этапе проектирования кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
Прочные, точно и быстро изготовленные детали – отличное решение для малосерийного производства. Некоторые из технологий трехмерной печати позволяют быстро изготовлять формы для литья – ну а дальше производственный процесс уже накатан.
И в заключение, если все предыдущее кому-то не показалось впечатляющим, – 3D-принтеры со способностью к самовоспроизводству. Не считая подобных объектов, присутствующих в сюжетах научной фантастики, такой проект впервые реализуется английскими конструкторами. Трехмерный принтер RepRap с самого начала задумывался не как устройство, воспроизводящее заданные отвлеченные объекты, а как реплицирующая система.
Ирина Шульга
