3D-принтеры: что и зачем

Автор: Юрий Ильин

3D-принтеры — на первый взгляд несколько экзотичное словосочетание, однако с технологической точки зрения в процесс «трёхмерной печати» нет ничего особо выдающегося: речь идёт о послойном формировании трёхмерных объектов; печатающий материал — полимеры, в данном случае, — накладываются не в один слой на какую-то плоскость, а — постепенно — друг на друга.

Игрушка, выполненная с помощью 3D-принтера.

Первая технология такого рода была разработана в середине 1980-х годов, и сразу же получила очень четкое название — «стереолитография». Авторство идеи и названия, а заодно и сама компания, занимающаяся разработкой и продажами стереолитографических машин, принадлежат инженеру Чарльзу Халлу.

Современный стереолитографический аппарат.

Принцип действия относительно прост. Исходная 3D модель объекта (например, созданная в CAD-пакете или любом 3D-редакторе) делится специальным ПО на множество поперечных слоёв (slices), и затем аппарат «выпекает», с помощью ультрафиолетового лазера, каждый такой слой на подвижной платформе, погружаемой в ванну с фотополимеризующейся композицией (после формирования каждого слоя платформа погружается на высоту одного слоя, лазер принимается за запекание следующего слоя).

Стереолитографические аппараты (SLA) отличаются, с одной стороны, очень высокой точностью — толщина слоя может находиться в пределах 0,025–0,05 мм и при этом создавать достаточно крупные образцы (до 75 см по максимальному габариту), — с другой стороны, такие аппараты очень медлительны (скорость работы не превышает нескольких миллиметров в час), крайне громоздки, и к тому же дорогостоящи. Немалых денег стоят и расходные материалы: стоимость полимеров, используемых для такой печати, колеблется от 300 до 800 долларов за галлон (т.е. примерно за 4,5 литра).

Впрочем, дешёвых коммерческих 3D-принтеров на рынке пока что днём с огнём не сыщешь.

Вариациями на тему стереолитографии можно назвать технологии Solid Ground Curing («запекание сплошной поверхностью») и Fused Deposition Modelling. Вторая из них особенно напоминает «обычную» печать на струйном принтере: на поддерживающую платформу через специальное сопло подаётся тонкая нить разогретого термопластичного материала, который наносится вертикальными слоями с постепенным получением объёмной фигуры (см. иллюстрацию).

Материал твердеет практически сразу.

Принцип действия технологии Solid Ground Curing.

Если сравнивать стереолитографию и FDM, то первая однозначно выигрывает в степени точности: минимальная толщина слоя у FDM-машин составляет 0,12-0,17 мм. Зато FDM позволяют получать разноцветные прототипы, чем SL-аппараты похвастаться не могут.

В своё время, а именно, в 2006 году, Forbes обозначил FDM как наиболее популярный метод 3D печати, что, вероятнее всего, связано с его относительно невысокой ценой: модели начального уровня стоят меньше 20 тысяч долларов, а недавно компания Stratasys, выпускающая FDM-принтеры Dimension анонсировала «домашнюю» версию такого устройства с заявленной ценой ниже 15 тысяч долларов.

Ещё один метод «струйной» печати — Polyjet – разработан израильской фирмой Objet Geometries.

Принцип действия технологии Polyjet Matrix.

Принцип работы сходен с технологиями FDM, но только в качестве основного расходника применяется жидкий фотополимер, который послойно наносится на поддерживающую поверхность, а затем сразу же отверждается ультрафиолетовым светом. Принтеры Polyjet Eden могут печатать с точностью, определяемой минимальной толщиной слоя в 16 мкм (0,16 мм). Скорость работы — около 20 мм/час.

Также Objet Geometries разработали более, так сказать, прогрессивную технологию — Polyjet Matrix: при печати используются два различных фотополимера в заранее заданной комбинации: можно использовать два различных твердых материала, два различных эластичных и любую комбинацию с прозрачным материалом. Таким образом технический прототип, например, может иметь ту же фактуру, какая должна быть у конечной продукции.

Стоимость 3D принтеров — 60-100 тысяч долларов.

Стоит отметить, что именно разработки Objet использовались для создания многочисленных материальных образов Коралины из мультфильма «Коралина в стране кошмаров», - с помощью 3D-принтеров израильской компании удалось за несколько месяцев проделать ту же работу, которую десяток скульпторов делали бы вручную четыре года.

Прототип, напечатанный с помощью разработок Z Corporation.

Несколько лет назад Массачусетский технологический институт разработал, а компания Z Corporation коммерциализовала способ полноцветной печати: суть его заключается в склеивании порошка твердого материала - гипса, целлюлозы, керамики, крахмала и т.д. - компаундом, выдавливаемым из печатающей головки.

Толщина слоя получается около 0,1 мм, скорость работы — до 50 мм/час, что весьма и весьма немало, при этом, правда, получающиеся модели могут требовать определённой обработки закрепляющим составом или гибкими полимерами для обеспечения большей прочности или эластичности.

Но зато полноцветная трехмерная печать...

Не нужно особо богатого воображения, чтобы понять, насколько широкое применение могут найти (и находят) 3D-принтеры. Наиболее развитая область — быстрое прототипирование (или, точнее, быстрое создание прототипов — rapid prototyping). 3D-принтеры используются как подспорье в конструкторской работе в авиационной, машиностроительной и автомобильной промышленности, в медицине (для моделирования протезов или органов) и даже в ювелирной отрасли. Естественно, скульпторы и художники тоже к ним присматриваются, и чем дальше, тем активнее.

3D-принтер Fab@Home.

Ещё несколько лет назад выдвигались совершенно фантастические, казалось бы, идеи: дескать, по мере совершенствования технологий, с помощью 3D-принтеров удастся печатать целые микросхемы, и даже биологические ткани. Но это пока что остаётся, что называется, за гранью фантастики.

Так или иначе, широкому распространению этих устройств пока мешает их высокая цена: трехмерные модели базового уровня по-прежнему стоят от 15 тысяч долларов, то есть остаются в корпоративном ценовом диапазоне.

Пару лет назад пошли многочисленные слухи о скором падении цен на трёхмерную печать — так, что принтеры такого рода подешевеют раз в 10-20, а то и более, и станут доступны людям со средним достатком без особых хлопот.

Пока относительно низкая стоимость отмечена только у некоммерческих проектов — например, Fab@Home Корнельского университета, участникам которого удалось состряпать работоспособный 3D-принтер стоимостью 2750 долларов. Что вчетверо меньше самых дешёвых коммерческих разработок.

железо и софт
Разделы:
Рубрики:
Популярное: