Представьте, что вы решили поставить себе в комнату новый шкаф, но вместо покупки его в магазине вы просто распечатываете желаемое с помощью принтера — удобно, не правда ли? А теперь представьте, что вам нужно построить сцену гражданской битвы как проект для школы — вы так же будете использовать принтер для печати солдатов, пушек и деревьев в мельчайших подробностях.
Всё это уже реальность, а называется данная технология — 3D-печать или трёхмерная печать. Именно эта технология позволяет легче и быстрее создавать сложные объекты с движущимися компонентами и замысловатым дизайном. Вскоре 3D-принтеры станут настолько доступными, что вы сможете иметь его прямо у себя дома, на работе, а также в любом другом имеющемся помещении типа обычной комнаты.
Технология послойного добавления (Additive Manufacturing, AM) — является частью семейства технологий производства, включающего в себя 3D-печать. AM является средством создания объекта путем добавления материала слой за слоем. Текущая терминология, AM, придумана американской международной добровольной организацией ASTM International (ранее именовалась как «Американское общество по испытанию материалов»). На протяжении всей своей истории, технология послойного добавления обладала различными наименованиями: стереолитографическая печать, 3D-наслоение и впоследствии стала 3D-печатью.
На протяжении тысяч лет капающая на землю вода образовывала слои месторождений полезных ископаемых, которые накапливаются, образуя сталактиты и сталагмиты. В отличии от данных природных образований, 3D-печать использует более разработанный план, который предоставляет ей компьютерное программное обеспечение. Компьютер направляет 3D-принтер с целью добавления им каждого нового слоя в качестве точного поперечного сечения конечного объекта.
Технология послойного добавления и 3D-печать продолжают совершенствоваться. Технология, которая начинала собственную деятельность как способ быстрого построения прототипа теперь является средством создания продуктов для медицинской, стоматологической, аэрокосмической и автомобильной промышленностей. Трёхмерная печать также затрагивает такие области, как игрушки, мебель, а также искусство, моду и другие различные области.
Типы 3D-печати: Direct и Binder
3D-печать типа Direct использует струйную технологию, которая стала доступной для 2D-печати с 1960 года. Как и в 2D-струйном принтере, сопла в 3D-принтере двигаются вперёд и назад, тем самым выполняя дозирование жидкости. Кроме этого, данные принтеры совершенно не используют чернила — они используют толстый пластиковый воск и полимер, которые затвердевают с образованием каждого нового поперечного сечения прочного трёхмерного объекта.
Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP) является одним из основных факторов роста 3D-печати. В 1994 году машина под названием ModelMaker производства компании Solidscape стала первой коммерчески успешной технологией применения струйного подхода к быстрому прототипированию (RP). Другие коммерческие продукты RP используют восковые соединения. Например, сегодняшние продвинутые продукты быстрого прототипирования используют такие технологии, как многоструйное моделирование (MJM), которое создаёт восковые прототипы с помощью десятка сопел, работающих одновременно.
3D-печать типа Binder, как и тип Direct, использует струйные сопла с применением жидкости, которые образовывают каждый новый слой. В отличии от 3D-печати типа Direct, трёхмерная печать Binder использует два отдельных материала, которые работают вместе с целью формирования каждого распечатанного слоя: мелкий сухой порошок и жидкий клей. 3D-печать Binder делает два подхода для формирования каждого слоя. Первый создаёт рулоны из тонкого слоя порошка, второй использует сопла для применения жидкого клея. Затем производственная платформа опускается вниз, чтобы разместить новый слой порошка, и весь процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет завершена.
3D-печать Binder имеет несколько преимуществ по сравнению с трёхмерной печатью типа Direct. Во-первых, он значительно быстрее, поэтому сопла используют меньше материала. Вторым преимуществом является то, что человеком может быть включен более широкий спектр материалов в процессе, в том числе и керамика, а также цвет.
Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling, FDM) — один из типов 3D-печати. Процесс FDM включает в себя иньекционно расплавленную и плотно упакованную пластмассу в форме линии с использованием очень маленького сопла. Моделирование методом наплавления может создавать объекты размером с долей миллиметра.
Фотополимеризация, лазерные стереолитография и спекание
Фотополимеризация является одной из технологий 3D-печати. Использует капли жидкого пластика, подвергающиеся лазерным лучам ультрафиолетового света. Во время этого воздействия свет преобразовывает жидкость в твёрдое тело. Термин прибывает из корней фотографии, означая свет и полимер, которые описывают химический состав пластмассы.
Лазерная стереолитография (Laser Stereolithography, SLA) использует фотополимеризацию, направляя лазер через чан с жидким пластиком под названием фотополимер. Как и в струйной 3D-печати, лазерная стереолитография повторяет данный процесс слой за слоем, пока печать будет не закончена.
Лазерное спекание — другая совокупная производственная технология, использующая в процессе таяние и плавление частиц с целью печати каждого последующего поперечного сечения объекта. Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS) является одной из форм спекания, используемого в 3D-печати. Селективное лазерное спекание зависит от лазера, который расплавляет огнестойкий пластиковый порошок, а затем порошок затвердевает с образованием печатного слоя. Данный механизм похож на таковой, используемый в 2D-принтерах. Чернила плавятся так, чтобы они придерживались бумаги, впоследствии чего создается изображение.
Спекание, естественно, совместимо со строительством металлических объектов, потому что производство металла часто требует некоторого типа плавление и перестройку. Одним из примеров использования металла в качестве материала спекания является продукт под названием LaserForm A6. Объект, созданный продуктом LaserForm A6, имеет несколько преимуществ по сравнению с металлическими изделиями, сделанными с помощью других средств, таких, как литьё под давлением. Самое большое преимущество — высочайший уровень точности, который селективное лазерное спекание может достичь.
Процесс 3D-печати
Несмотря на то, какая технология трёхмерной печати используется в принтере, общий процесс печати, как правило, одинаков. Далее вам будут представлены восемь шагов общего процесса быстрого прототипирования.
- Шаг 1: CAD — подготовить 3D-модель, используя систему автоматизированного проектирования (Computer-Aided Design, CAD). Программное обеспечение CAD может предоставить информацию о структурной целостности, которой можно ожидать в конечном продукте. Также используются научные данные об определённых материалах для создания виртуального моделирования того, как объект будет вести себя при определённых условиях.
- Шаг 2: преобразование в STL — преобразовать чертёж CAD в формат STL. Прежде всего, STL (Standard Tessellation Language) — формат файла, разработанный для компании 3D Systems в 1987 году для использования его в стереолитографических аппаратах (SLA). Большинство 3D-принтеров могут использовать файлы формата STL в дополнение к некоторым собственным типам файлов, таким, как ZPR (Z Corporation) и ObjDF (Objet Geometries).
- Шаг 3: перейти к машине AM и провести манипуляции с файлами STL — пользователь копирует файл STL в компьютер, который управляет 3D-принтером. После копирования файла в компьютер пользователь сможет назначить размер и ориентацию для печати.
- Шаг 4: настройка аппарата — у каждой машины есть свои собственные требования того, как подготовиться к новой работе печати. Это заправка полимеров, а также жидкий клей и другие расходные материалы, которые принтер будет использовать.
- Шаг 5: производство — позволяет машине делать свою работу, процесс в основном автоматический. Каждый слой обычно имеет приблизительную толщину 0.1 миллиметра. В зависимости от размера объекта, процесс создания может занять часы или даже дни. Обязательно проверяйте принтер периодически, чтобы удостовериться, что нет каких-либо ошибок.
- Шаг 6: удаление — удаляет печатный объект (или множество объектов в некоторых случаях) от принтера. Обязательно примите меры безопасности, чтобы избежать появления ран. Используйте перчатки, чтобы защитить себя от горячих поверхностей или ядохимикатов.
- Шаг 7: постобработка — многим 3D-принтерам требуется некоторое время для обработки печатного объекта. Данный процесс может включать в себя стряхивание любого оставшегося порошка или купание печатного объекта в воде с целью удаления лишних элементов.
- Шаг 8: применение — используйте недавно напечатанный объект или объекты.
Подойдём к концу
3D-печать продолжает значительно развиваться и расти, тем самым становясь всё более популярным и более доступным способом получения прототипов и готовой продукции. В ближайшем будущем ожидается появление 3D-принтеров в школах и других различных учреждениях. Только представьте: ребёнок прямо в школе совершенно самостоятельно создаёт миниатюрные копии Горы Рашмор. Или вы, забыв собственные ключи дома, просто делаете копии посредством 3D-принтера вместо того, чтобы совершить поездку в ближайшую ремонтную мастерскую. Уверяю вас, у 3D-принтеров величайшее будущее, которое уже наступает.
