3D-принтер – как это работает

Принтеры уже давно заняли привычное место в жизни современного человека. Принтер, обеспечивающий вывод информации на бумагу, можно встретить практически в каждом офисе и доме. Однако технологии не стоят на месте и сегодня мы все чаще слышим о 3D печати. Под 3D печатью понимают возможность послойного изготовления практически любого физического объекта на основе виртуального трехмерного проекта. В перспективе 3D печать может сильно повлиять на многие сферы жизни обычного человека благодаря возможности быстрого и точного создания любых предметов, начиная от различных пластиковых безделушек и заканчивая оружием.

Суть технологии 3D печати

3D принтер представляет собой специальное устройство, которое обеспечивает создание изделия сразу в трех измерениях, в отличие от обычного принтера, выводящего только двумерные данные на лист бумаги. В основе работы трехмерного принтера лежит принцип послойного изготовления или наращивания твердой, физической модели. Вначале в CAD-программе создается макет физического объекта в трехмерном измерении. Затем данные об этом трехмерном прототипе в электронном формате загружаются в принтер, который создает физический объект последовательно, от одного слоя к другому.

Все предметы, отпечатанные на таком устройстве, построены именно из отдельных слоев. Процесс печати начинается с нижнего слоя, после чего устройство дожидается его высыхания или закрепления и наносит следующий слой поверх первого. Так продолжается путь наверх до завершения процесса изготовления. Этим нехитрым способом объект «выращивается» из материала.

Толщина одного такого слоя обычно в среднем достигает всего 0,1 мм. При этом создаваемые на 3D принтере объекты могут иметь высоту до 75 сантиметров и более. При соблюдении технологии печати в результате получается реальный объект с заданными при моделировании характеристиками. Сам процесс «выращивания» предмета происходит фактически без участия человека. Необходимо лишь задать 3D принтеру макет для печати, который можно создать с помощью специализированного программного обеспечения.

Весь процесс изготовления контролируется программными средствами, что исключает вероятность возникновения какого-либо технического брака или ошибок. В зависимости от используемой технологии для «выращивания» предмета могут применяться разнообразные материалы. В их числе – пластик, нейлон, стекловолокно, композитные материалы, поликарбонаты, титан.

История возникновения 3D печати

Нужно отметить, что трехмерная печать отнюдь не является самой последней технологической разработкой, как это кажется многим. Подобные технологии уже применяются в области промышленного производства на протяжении тридцати лет. Для инженеров и конструкторов трехмерная печать стала настоящей палочкой-выручалочкой, поскольку время создания пробного изделия или макета значительно сократилось.

Одной из первых, кто использовал данную технологию для промышленных целей, стала хорошо всем известная компания Porsche. Появление 3D печати фактически ознаменовало собой революцию в создании прототипов и макетов. Ведь инженерам больше не нужно было тратить на создание прототипа целые недели – теперь на выпуск пробного изделия уходило всего несколько минут. Высокая скорость, относительная простота технологии и низкая стоимость изготовления различных физических объектов обеспечили 3D печати великолепные перспективы в промышленной сфере.

Первые 3D принтеры напоминали огромные производственные станки, стоящие очень серьезных денег. Поэтому о возможности домашнего использования подобных устройств даже не было речи. Однако с постепенным развитием технологий 3D принтеры уменьшались в размерах и падали в цене. За последние годы на рынке появились устройства, которые предназначены уже не для крупных производственных предприятий, а для домашних хозяйств и малых компаний.

Впрочем, маленькие, коммерческие 3D принтеры пока существенно проигрывают своим старшим собратьям, как по скорости печати и разрешению, так и по возможности использования различных материалов. Современное поколение3D устройство научилось «выращивать» разные бытовые предметы, одежду, детали технологического оборудования и даже отдельные человеческие ткани. Правда, все это пока не относится к домашним аппаратам, которые в основном ориентированы на создание каких-либо крошечных предметов из пластика.

Технологии, который способствовали появления 3D печати

История появления трехмерной печати относится к 80-м годам. С той поры различные технологии развивались практически параллельно друг с другом, приоткрывая новые горизонты в этой области. Можно выделить следующие технологии, развитие которых в наибольшей степени повлияло на современное состояние 3D печати:

– Стереолитография (SLA)

Первой появилась стереолитография – технология послойного создания трехмерных изделий из жидкого фотополимеризующегося материала. Она была опробована в 1984 году американцем Чарльзом Халлом. В 1986 году им была основана фирма3D System, которая представила публике первый промышленный аппарат для трехмерной печати. Технология стереолитографии предусматривала «выращивание» объекта путем нанесения отдельных слоев толщиной порядка 0,2 миллиметра на подвижное основание, которое погружалась в специальную емкость с жидким фотополимером.

В 1988 году уже началось серийное производство принтера SLA-250, основанного на данной технологии. 3D System продолжает развивать технологию стереолитографии и два года назад, в частности, выпустила на рынок первые принтеры для потребительского рынка. Этот метод характеризуется сравнительно малой стоимостью «выращенной» модели, сам используемый материал отличается прекрасными возможностями для обработки. Хотя он подвержен разрушительному воздействию влаги.

– Ламинирование (LOM)

В середине 80-х годов Михаило Фейген придумал новое оригинальное решение – послойное создание трехмерных моделей из любого листового материала, будь то полиэтиленовая пленка, пластик или бумага, при помощи скрепления отдельных слоев валиком. Последний разогревается до определенной температуры. Недостатком этого способа трехмерной печати является то, что после изготовления объекты получаются достаточно шероховатыми и остатки материала приходиться удалять ручным способом. Структура отпечатанного прототипа может расслаиваться под влиянием воды.

– Селективное лазерное спекание (SLS)

В 1986 году в США Карлом Декартом был изобретен способ селективного лазерного спекания. Для создания трехмерного прототипа здесь применяется послойное спекание порошкового материала, обеспечиваемое воздействием лазерного луча. Материал разогревается до температуры, сопоставимой с t плавления, и на его поверхности лазерным лучом прорисовывается нужный контур. При касании лучом материала последний спекается, после чего добавляется новый слой порошка и осуществляется повторный процесс. Для изготовления физической модели может понадобиться большое количество подобных циклов. В качестве материала может использоваться металл, термопластик или керамика. Технология SLS обеспечивает создание изделий с приличными механическими характеристиками, поэтому она может применяться для изготовления разных металлических элементов.

– Послойное уплотнение (SGC)

В 1987 году в Израиле компания Cubital представила технологию послойного уплотнения. Она чем-то схожа с фотокопированием: по специальной пластине распыляется фоточувствительный тонер, благодаря чему образуется картинка слоя или фотошаблон. Данный шаблон помещается над тонким слоем полимера. Далее осуществляется засвечивание ультрафиолетовой лампой и шаблона, и слоя, что обеспечивает затвердевание смолы. Жидкие остатки смолы удаляются вакуумом, а пустоты в структуре наполняются расплавленным воском, с течением времени так же затвердевающим. Данная последовательность повторяется многократно до того момента, пока изделие не будет готово. Недостатком этой технологии является то обстоятельство, что тут требуется использование токсичных материалов, отличающихся высокой стоимостью.

– Послойная заливка экструдируемым расплавом (FDM)

Наконец, незадолго до 90-х годов Скотт Крамп получил патент на технологию печати, предусматривающую послойное наложение расплавленной полимерной нити. Этот способ предполагает применение тончайших нитей термопластика, которые нагреваются до высокой температуры и подаются через специальную головку. Эта головка выдавливает пластичный материал на подвижное основание очень тонкими слоями. Отдельные слои укладываются друг на друга, соединяясь и затвердевая. В 1989 году Крамп создал фирму Stratasys, которая спустя два года выпустила первое устройство с выдавливающей головкой.

Существует еще несколько технологий трехмерной печати, однако наибольшее распространение на сегодняшний день получили именно вышеперечисленные. Выбор в пользу той или иной технологии определяется функцией создаваемого изделия, материалом для его изготовления, требуемой точностью исполнения поверхности, а также стоимостью самого печатающего устройства и материалов к нему.

Итак, 3D принтеры позволяют создать то или иное законченное изделие буквально за считанные минуты. Безусловно, это невероятно полезное изобретение пришлось по вкусу не только инженерам, конструкторам и дизайнерам, которые легко и быстро создают с помощью технологии трехмерной печати различные модели. В домашних условиях трехмерные принтеры позволяют производить самые разные мелочи. Это также выгодное решение для мелкосерийного производства. В принципе, возможности 3D печати практически не ограничены, и данная технология может быть задействована как при создании деталей для аэрокосмической промышленности, так и для изготовления ярких детских игрушек.

Сегодня 3D печать уже нельзя назвать каким-то фантастическим проектом. С каждым годом трехмерные принтеры становятся все ближе к домашнему использованию. Появление компактных и относительно недорогих 3D принтеров может полностью перевернуть повседневную жизнь человека. Возможно, уже совсем скоро настанут времена, когда подобные устройства появятся в каждом доме.