TECHNOLOGY - познавательный журнал

Technology - Познавательный Журнал
29 января 2017

Как печатает 3Д принтер, что это и чем отличается от стандартных аппаратов

3Д принтер что это и как работает? Традиционным принтерам вопросов никто уже не задаёт. Аппараты, печатающие на бумаге, давно стали привычными, а применяют их не реже, чем кофеварки. Но устройства, называемые 3D принтер, это нечто новое, пусть даже имеющее в названии знакомые всем буквы. Действительно, этот инновационный проект, нацеленный на то, чтобы создавать трёхмерные объекты методом послойной печати, совершил настоящую революцию. Оказывается, печатать можно не только тексты на бумаге. С не меньшим успехом печатаются, к примеру, натуральные жилые дома.

Интерес узнать, как работают 3D принтеры, преследует многих. Это понятно. Инновации всегда интересны до первого случая их массового применения. Однако в работе 3D принтеров фактически нет ничего необычного. Принцип действия здесь относительно простой – создание объекта путём последовательного наслоения материала. Правда, ассортимент технологий, при помощи которых создаётся это самое наслоение, достаточно богатый. Вот только некоторые из них:
- наплавление,
- стереолитография,
- плавление электронным лучом,
- ламинирование,
- многоструйное моделирование.

Попробуем глубже вникнуть в технологический процесс применения 3D принтера, чтобы точнее уяснить принцип его работы. Обратимся, для начала, к моделированию методом наплавления (технология аддитивного продукта). Посмотрим — как работают 3D принтеры в рамках процесса FDM.

Технология аддитивного продукта (наплавление)

Технология аддитивного продукта (FDM) активно применяется в создании трёхмерных моделей. Она широко распространена в промышленности на стадиях создания прототипов различных машин и оборудования.

Как работают 3D принтеры по технологии аддитивного продукта? Прежде чем начинается применение 3D принтера, создаётся цифровая модель объекта печати. Затем начинается последовательное послойное «выращивание» объекта. Обычно в качестве материала используется пластик – точнее, пластиковая нить.

Смотанный в катушку материал постепенно загружается в экструдер – устройство с нагревателем и специальным соплом. Здесь нить расплавляется за счёт нагрева, а полученный жидкий пластик выдавливается сквозь сопло на рабочую площадку. Сопло в данном случае исполняет роль печатающей головки – укладывает пластик слой за слоем, выстраивая фигуру объекта по контуру цифровой модели. Вот и всё – нет ничего сложного для понимания, что такое 3D-принтер.

На базе технологии FDM запущено и работает производство бытовых 3D принтеров. Это один из недорогих способов трёхмерной печати, допускающий применение 3D принтера дома. И не только в домашних условиях, но также в малом бизнесе становится реальным применение подобных устройств. С помощью оборудования FDM легко организовать, например, мелкосерийное производство – изготовление игрушек, сувениров, бижутерии и т.п.

Популярными материалами для 3D принтеров с технологией наплавления являются PLA и ABS пластики. Между тем это оборудование поддерживает также работу с другими материалами:

- нейлон,
- поликарбонат,
- полиэтилен,
- древесина,
- металл,
- камень.

Правда, три последних материала списка используются, как правило, в виде порошковых добавок к основным материалам — термопластикам. Так, на практике отмечены примеры печати композитом, состоящим на 85% из пыли натуральной древесины. Таким способом удаётся получить деревянные изделия – предметы мебели, быта, домашнего хозяйства.

Также имеются реальные примеры печати композитом, состоящим в большей его части из пыли бронзы. Полученные в результате изделия, после шлифовки и полировки, внешне мало чем отличаются от натуральных бронзовых деталей. Но по качеству такие изделия, конечно же, уступают натуральным металлам. Всё-таки связывающим звеном композитных материалов являются термопластики. Именно их качественные характеристики определяют свойства готовых «напечатанных» изделий.

Как работают 3D принтеры типа SLA

Лазерная стереолитография (SLA) – это ещё одна прогрессирующая технология для 3D принтеров, патент на которую был выдан в 1986 году. Здесь используется лазер и ФПК (фотополимерная композиция). Изначально объект проектируется на компьютере в виде трёхмерной модели. Затем по цифровому шаблону выполняется процесс «выращивания» фигуры с помощью жидкого ФПК и лазерного излучения.

Здесь своя особенность техники исполнения. Объект формируется на подвижной платформе, погруженной в специальную ванну, заполненную ФПК. Полимеризация жидкой ФПК на нужных участках объекта происходит за счёт засветки этих участков лазером. Изначально платформа погружается на небольшую глубину. Затем, по мере наращивания каждого нового слоя, выполняется дополнительное погружение на глубину, равную толщине нового слоя. Процесс продолжается до полного создания объекта.

Применение 3D принтера с лазерной стереолитографией поражает исключительно высокой скоростью работы. Изготовить продукты, разные по сложности геометрии, можно всего за несколько часов. Однако сроки созидания сложных геометрических форм могут составлять несколько дней. Стандартные размеры готовых продуктов, полученных в результате применения 3D принтеров SLA, обычно не превышают 50-60 см во всех плоскостях измерений.

В общем, всё в этом направлении инноваций удачно, кроме цены SLA принтеров. Далеко не каждый может позволить себе применить такой 3D принтер дома. Поэтому основные ниши их применения:

- конструкторские и дизайнерские студии,
- литейное производство (изготовление форм для литья),
- медицинская сфера,
- археологическая сфера,
- криминалистика.

3Д принтер EBM — что это и как работает?

На основе технологии электронно-лучевой плавки (Electron Beam Melting) работает следующий вид 3D принтера. Методика предполагает выполнение плавки металлического порошка при помощи электронного луча. Затем расплавленная масса – своеобразный тонер, подаётся для «печати» первого и последующих слоёв объекта. Вся операция происходит в условиях полного вакуума.

Этот метод благодаря условиям вакуума позволяет «печатать» цельнометаллические детали, которые обладают уникальными техническими характеристиками. К тому же здесь открываются возможности для качественной работы с такими металлами, как золото, платина, титан. Так же, как в случаях с другими технологиями, ориентиром для создания объекта служит цифровая модель, предварительно спроектированная на компьютере.

LOM – печать 3D объекта ламинированием

Доступным для самых разных сфер, включая бытовую сферу, считается 3D принтер, действующий по технологии LOM (Laminated Object Manufacturing). Эта методика трёхмерной печати разрабатывалась фирмой Helisys и показала успешные результаты. Технологический вариант LOM для 3D принтера предполагает «выращивание» объекта из бумажных, пластиковых, металлических листов, которые склеиваются между собой. Требуемый контур вырезается лазером или специальным резаком. Процесс, примерно, следующий:

1.Накладывается первый лист и приклеивается к подложке
2.Автоматика вычисляет контуры прототипа
3.Лазерный луч отсекает ненужные части листа
4.Рабочая платформа сдвигается вниз и в сторону
5.Накладывается и приклеивается следующий лист
6.Платформа вновь перемещается под лазерный излучатель
7.Процесс повторяется.

Точность исполнения и качество здесь несколько ниже, чем даёт применение 3D принтера со стереолитографией или электронно-лучевой плавкой. Но по сравнению с этими аппаратами, методика ламинирования обходится пользователям таких принтеров значительно дешевле. Доступная цена LOM аппаратов позволяет применять такой 3D принтер дома.

Методика струйной печати (MJM)

Многоструйное моделирование с использованием воска или фото-полимера тоже находит широкое применение в качестве технологии трёхмерной печати. Подобный метод хорошо знаком владельцам обычных принтеров. Однако в случае с трёхмерной печатью по технологии Multi Jet Modeling процесс проходит немного своеобразно.

Жидкий полимер или расплавленный воск подаются на специальную распределительную головку. Такая головка имеет множество малых сопел (от 96 до 448 в зависимости от модели принтера). По мере продвижения головки по заданному контуру, рабочий материал выдавливается сквозь выбранные процессором сопла. Следом жидкий материал тут же подвергается засветке ультрафиолетом. В результате полимер, будучи жидком виде, переходит в твёрдое состояние.

Где применяются 3D принтеры струйной печати MJM? Основное применение этих аппаратов отмечается на производствах, где практикуют литьё деталей. Благодаря принтерам трёхмерной печати MJM легко и быстро воспроизводятся прототипы самых разных предметов, деталей, фигур. Также это оборудование применяется для изготовления литейных форм.

Как печатают жилые дома

Совсем недавно (2014 год) события, связанные с 3D принтерами, пополнились интригующей новостью. Сообщалось о появлении технологии Contour Grafting, которую удалось адаптировать под строительство жилых зданий. Тут же нашлись умельцы (из университета Южной Калифорнии), которые создали прототип строительной автоматизированной машины. Пробная модель гигантского 3D принтера смогла «напечатать» жилое здание площадью 250 м.кв. всего за одни сутки.

По мнению одного из авторов строительного детища – профессора Беркока Хошневиса, будущее компьютерной машины быстрого строительства дешёвого жилья не за горами. Если технология Counter Grafting будет внедрена в строительную сферу, перемены в гражданском и промышленном строительстве обещают быть глобальные. Стоимость процесса удешевится в разы, и на столько же возрастёт производительность.

Под завершение

Удивляться новым технологиям общество заставляют всё чаще. Да и как не удивляться, если с помощью тех же технологий трёхмерной печати уже без труда делается любой вид стрелкового оружия. Если появляются проекты био-принтеров, способных выращивать человеческие органы, пригодные для пересадки. Три года назад китайцы продемонстрировали экспериментальные аппараты, печатающие из живой ткани почки, печёнку и даже уши. Серийное производство подобных устройств ожидается через 20-25 лет. Так что жильём обеспечат всех. Органов для пересадки будет более чем достаточно. Останется единственное – разработать технологию бессмертия человечества.