Что такое 3D печать и 3D принтер

В последние годы такое понятие, как «3D» стало занимать всё больше места в жизни обычных людей. Правда, сейчас чаще оно ассоциируется с киноиндустрией, однако, с ним связано и с ещё одно популярное направление — 3D-печать. И именно эта технология начинает вызывать всё больший ажиотаж в обществе.

 

3D-печать. Что это такое и какую пользу она может принести для человечества? Ответы на эти и другие важные вопросы, связанные с данной технологией можно узнать ознакомившись с изложенной ниже статьёй.

Впрочем, для начала лучше немного окунуться в историю. И, хотя, о 3D-печати массово заговорили только в последнее время, с момента изобретения этой технологии прошло уже более тридцати лет. Ещё в середине 80-х годов прошлого века одна малоизвестная на то время компания CharlesHull представила миру любопытный метод воспроизведения различных объектов с использованием специально модифицированного принтера. Технология вызвала значительный интерес в научном сообществе, поэтому техника стереолитографии, как её позже назвали, была сразу запатентована.

Немного позднее CharlesHull произвела первый 3D-принтер для промышленного использования, а спустя ещё некоторое время компания 3D Systems, разработала и запустила в производство SLA-250 — первую модель 3D-принтера для домашнего использования.

После этого последовало короткое затишье, но уже начиная с 1991 года начался новый виток популярности 3D-принтеров. Сперва компания Helisys, а затем и такие её конкуренты, как  DTM и Solidscape начинают активно совершенствовать использующиеся на тот момент устройства для 3D-печати. Сначала была разработана новая техника селективного лазерного спаивания, а уже к 1993 году появились принтеры на струйной основе, способные создавать детали любой сложности с практически безупречной поверхностью. Главным их преимуществом стало многократное удешевление процесса 3D-печати, поэтому новые устройства быстро поступили в серийное производство.

В дальнейшем шумиха вокруг новой технологи постепенно стихла, чтобы вспыхнуть с новой силой уже в 21 веке. 2005 год ознаменовался тем, что тогда была произведена первая цветная 3D-печать. Spectrum Z510 — так называлось устройство, вновь возродившее интерес к этому направлению, а его разработчик — компания Zcorp позже прославилась тем, что создала первый 3D-принтер, который был способен самостоятельно воспроизвести 50% своих комплектующих. С тех пор сфера применения 3D-печати постоянно расширяется. Медицина, машиностроение, авиационная промышленность, производство товаров повседневного быта — эти технологии оказалось полезны везде.

 

Что же представляет собой технология печати на 3D-принтере?

Если говорить вкратце, то это можно назвать особым процессом создания реального объекта, в соответствии с запрограммированной на компьютере моделью. Она упаковывается в специальный STL-файл, а принтер просто действует согласно программе, формируя уже реальное изделие.

Непосредственно же сам процесс печати представляет собой последовательность повторяющихся циклов, во время которых на рабочий стол (элеватор) принтера в определённой последовательности наносятся слои специальных материалов и производится удаление с его поверхности излишков и отходов.

 

Принцип работы 3D-принтера — в чём он заключается?

Как уже было сказано, за работу 3D-принтера отвечает технология трёхмерной печати. На сегодняшний день это можно считать настоящим прорывом в сфере производства. В отличие от своего более известного сородича, 3D-принтер выводит не плоские двухмерные рисунки, а даёт возможность конструировать объёмные модели.

 

В настоящий момент 3D-принтеры могут работать с такими материалами, как:

  •                     металлоглина;
  •                     керамический порошок;
  •                     различные виды пластиковых нитей;
  •                     фотополимерные смолы;

 

Во время работы 3D-принтер буквально «выращивает» деталь из выбранного материала. Этот вид производства, по сравнению со стандартными машинными и ручными способами обладает такими безусловными преимуществами, как:

  •                     высокая скорость изготовления;
  •                     простота и полная автоматизация процесса;
  •                     относительная дешевизна производства;

 

К примеру, создание 3D-модели либо же какой-нибудь сложной детали ручным способом может занять значительное количество времени. В отдельных случаях это могут быть даже многие месяцы, поскольку перед изготовлением потребуется составить подробные чертежи и схемы изделия. И это очень сильно влияет на сроки проведения работ, а также увеличивает общие затраты на разработку.

В свою очередь, 3D-печать позволяет полностью исключить ручной труд. К тому же есть у данного способа и ещё один немаловажный плюс — это возможность выявлять и устранять различные погрешности и недостатки прямо в процессе создания изделия. Специалист своими глазами видит, как формируется предмет и если его что-то не устраивает, исполняемую программу можно подкорректировать в любой момент.

 

Распространённые технологии 3D-печати

Технологий трёхмерной печати достаточно много. Между собой они отличаются методами наложения слоёв, при формировании изделия, а также используют разные технические реализации. К примеру, одним из наиболее распространённых способов является SLS (селективное лазерное сплетение). Не менее популярны и такие методы, как FDМ (накладывание друг на друга слоев расплавленных материалов) и SLA(стереолитиография).

 

Технология SLA

Наиболее применяемым и широко используемым в наше время можно считать метод SLA. Такое признание он получил благодаря таким качествам, как:

  •                     дешевизна производства;
  •                     огромная экономия сырья;
  •                     высокой скорости формирования объектов;

 

Работает SLA -технология следующим образом: лазер нагревает полимер и приводит его в нужное состояние, а после формирования фрагмента детали, материал  почти моментально затвердевает. Современные фотополимеры после отвердевания легко поддаются резке, шлифованию, сверлению и другим видам обработки, поэтому с их помощью можно производить всё что угодно.

 

Технология SLS

Данная технология основана на спекании особых порошковых реагентов при помощи направленного лазерного луча. Основным отличием SLS от SLA можно считать то, что с её помощью возможна печать, как с применением пластмассовых полимеров, так и с использованием иного сырья.

SLS позволяет получить не только стандартные пластмассовые модели, но и довольно сложные конструкции, являющиеся частями многофункциональных устройств. Также  SLS технология предусматривает использование в качестве основного сырья таких материалов, как керамика, или особые полимеры на основе металла и органических соединителей.

Работает всё это следующим образом: сырьё послойно наносится на поверхность рабочего стола, а лазерный луч спекает его в твёрдый монолитный слой. Таким образом  формируется вся деталь и продолжается это до тех пор, пока она не будет полностью соответствовать заданным параметрам.

 

Технология DLP

Её можно считать инновационной на рынке 3D-печати. Аппараты, сконструированные по данной технологии действуют несколько иначе, чем устройства для SLS и SLA печати. В то время как в двух последних используются специальные лазерные головки, которые формируют изделия из отдельных мельчайших частиц, 3D-принтер DLP обрабатывает разом целый слой?

Проще говоря, на рабочий стол сперва наносится слой из специального чувствительного фотополимера, а затем светоустановка, состоящая из цифровых светодиодных излучателей, проецирует на этот слой заданную структуру. Продолжается этот  процесс до тех пор, пока слой не будет соответствовать заданным параметрам, после чего машина приступает к созданию следующего слоя.

Трудно сказать, является ли метод DLP более инновационным, чем остальные, однако тот факт, что производство деталей по данной технологии обходится куда дешевле, чем при использовании SLS и SLA, неоспорим. К тому же DLP проекторы постоянно совершенствуются, поэтому можно предположить, что именно этот метод трёхмерной печати станет доминирующим на рынке. К примеру, корпорация Q.SQMTechnologyCorporation, уже приступила к серийному выпуску этих устройств и, похоже, что результат её вполне устраивает.

 

Технология ЕВМ

EBM — это перспективная технология, в области печати металлических изделий. В её основе лежит метод электронно-лучевой плавки. В данном случае для послойного наплавления металлических частиц используется не чистый металл, а специальная смесь — металлоглина. Она состоит из воды, металлического порошка и особого клея. Для придания этому материалу необходимой консистенции его нагревают до температуры, при которой становится возможным формирование заготовки, а в дальнейшем клей и вода выгорают, а частицы металла сплавляются в монолитную структуру.

Общие же принципы работы EBM принтера очень схожи с  SLS/SLA  аналогами. Правда, есть и одно весомое отличие. Указанные выше аппараты используют лазерный луч, в то время, как EBM обрабатывает сырьё электронными импульсами.

Что касается рабочих качеств, то с помощью данного метода можно добиться очень высокого качества печати, а также превосходной прорисовки мелких деталей. Однако сам процесс изготовления деталей с помощью EBM устройства отличается довольно высокой себестоимостью, поэтому сегодня он применяется  только в промышленности.

 

Технология FDM (НРМ)

FDM —  популярный метод 3D-печати. Он одинаково хорош для создания базовых заготовок и уже готовых деталей, обладающих определённой функциональностью. Основным сырьём в данном случае служат особые термопластики, которые представлены в виде прутиков либо нитей, смотанных в специальные катушки.

Печать по методу FDM, в первую очередь, отличается высоким качеством деталей на выходе, а также надёжностью и относительной дешевизной. Изделия же, полученные данным методом, чрезвычайно прочны, устойчивы к температурным колебаниям и значительными механическим нагрузкам, а также инертны к различным химическим веществам. Ещё они практически не боятся влаги, а потому могут использоваться в самых экстремальных условиях.

Как уже было сказано, с помощью FDM метода можно изготавливать как грубые заготовки, так и довольно сложные детали. Это стало возможным за счёт того, что разработчики реализовали в этом принтере довольно интересный приём. Все подвижные или свисающие детали фиксируются в пространстве специальным веществом. То есть принтер во время работы используется два типа сырья — из одного формируются непосредственно сами детали, а другой служит фиксатором для отдельных частей. После того как формирование изделия закончено, фиксатор попросту вымывается растворителем и деталь  готова к использованию. 

FDM — также достаточно простой и экономный метод трёхмерной печати, поэтому он популярен в домашнем и серийном производстве. Тем не менее несмотря на дешевизну и простоту, он активно используется и в таких областях промышленности, где требуется высокая точность.

 

 

3D-печать — сфера применения

Сегодня 3D-печать — это уже не только поле для экспериментов. Строительство, образование, машиностроение, изготовление одежды  и аксессуаров,  производство товаров для повседневного использования, ювелирное искусство и даже пищевая промышленность — сейчас 3D-печать применяется практически повсеместно. А ведь это только начало. Производство резинотехнических изделий, товаров широкого потребления, а также деталей к различным устройствам и механизмам можно считать лишь малой толикой того, что можно реализовать с помощью технологий 3D-печати.

К примеру, как считают немецкие учёные, она способна стимулировать развитие всей современной науки в целом и особенно такой её отрасли, как медицина. Медики долгое время находились в тупике, пытаясь найти альтернативу донорским органам. Отдельные ткани прекрасно развивались в искусственных условиях, но вот заставить их сформировать рабочий орган до сих пор не получалось. Теперь же можно выращивать все ткани органа по отдельности, используя клетки самого пациента, а в дальнейшем особый 3D-принтер просто напечатает из них настоящий работоспособный трансплантат. В общем, даже трудно заранее представить, что станет доступно человечеству уже в самом обозримом будущем.