3D принтеры

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ПРИНТЕРОВ 5

2 ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ 8

2.1 Лазерная 3D-печать 8

2.2 Струйная 3D-печать 9

3 «ДОМАШНИЙ» 3D-ПРИНТЕР 12

3.1 RepRap 12

3.2 CupCake 13

4 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 3D-ПЕЧАТИ 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 20

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

3D-принтер это специальное устройство для вывода трёхмерных данных. В отличие от обычного принтера, который выводит двумерную информацию на лист бумаги, 3D-принтер позволяет выводить трехмерную информацию, т.е. создавать определенные физические объекты. В основе технологии 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твердой модели.

Преимуществами подобных устройств  перед обычными способами создания моделей являются высокая скорость, простота и низкая стоимость. Например, для того, чтобы создать модель вручную может понадобиться несколько  недель или даже месяцев, в зависимости  от сложности изделия. В результате значительно повышаются затраты  на разработку, увеличиваются сроки  выпуска готовой продукции. 3D-принтеры позволяют полностью избавиться от ручного труда и создать  модель будущего изделия всего за несколько часов при этом исключая возможность ошибок, присущие «человеческому фактору».

Как правило, 3D-принтеры применяются  для быстрого изготовления прототипов и используются в самых разных областях. Работа с реальными физическими  моделями дает множество преимуществ  тем, кто применяет технологию 3D-печати. В первую очередь, это возможность  оценить эргономику будущего изделия, его функциональность и собираемость, а также исключить возможность  скрытых ошибок перед запуском изделия  в серию. Таким образом, можно  сэкономить значительное количество финансовых средств и времени благодаря  сокращению цикла производства.

Кроме того, на готовой модели можно  проводить различные тесты еще  до того, как будет готов окончательный  вариант изделия. Более того, прототипы  позволяют проводить такие тесты, которые не рекомендуются к проведению на готовом образце. Например, Porsche использовала прозрачную пластиковую модель трансмиссии 911 GTI для изучения тока масла в процессе ее разработки. При этом следует отметить, что такую модель можно сделать очень быстро - а в наше время высоких скоростей это очень важно.

Однако, прототипы  это еще не все. Следующая ступень - быстрое производство. Уже сейчас некоторые технологии 3D-печати позволяют изготовлять готовые предметы из различных материалов. Это идеальное решение для мелкосерийного производства, поскольку унифицированный техпроцесс дает возможность сделать деталь любой конфигурации за относительно малое время.

Более того, возможность быстрого создания необходимого количества учебных  моделей даёт возможность решить много проблем образования. Помимо этого 3D-печать широко применяется  в медицине для создания макетов  внутренних органов человека, протезов и имплантатов. Высокую заинтересованность вызывают и маркетинговые аспекты 3D печати. Благодаря ей можно повысить качество работы с клиентами, демонстрируя полноценные прототипы продукции. Используется данная технология и в  трехмерной рекламе. Среди экзотических вариантов использования 3D-печати следует  отметить производство обуви. Пока что  данная услуга рассчитана на профессиональных спортсменов. Нога будущего владельца  сканируется лазером для создания цифровой модели. На основании этой информации и "выращивается" обувь  путём послойного лазерного спекания. Таким образом, 3D-печать является одной  из наиболее перспективных технологий, которая позволит сэкономить огромное количество времени и сил инженерам  и дизайнерам.

Далее мы рассмотрим историю создания технологий трехмерной печати, их виды, области применения ,а также перспективы развития.

 

1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ПРИНТЕРОВ

Первые применения технологии 3D-печати относятся к 1980-м годам. Тогда трехмерные принтеры были громоздкими  и чрезвычайно дорогими, а область их применения – сильно ограниченной, да и самого термина - 3D-печать – еще не существовало.

Родоначальником современных  установок по формированию 3D-объектов можно считать американца Чарльза  Халла, который в 1986 году запатентовал первую в мире установку стереолитографии (SLA).Конечно, она была далека от того, чтобы называться 3D-принтером, но основные идеи послойного создания объемных фигур были заложены именно в ней.В том же году Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий 3D-прибор, он был назван Stereolithography Apparatus. В 1988 году была разработана модель SLA-250, она стала первой машиной для широкого круга пользователей.

Рисунок 1 – Чарльз Халл с новой версии своего 3D-прибора // 3D Systems

Еще одним важным «лицом» 3D-печати является компания Stratasys и ее основатель Скотт Крамп, который вместе с женой в 1990 году стал автором одного из способов трехмерной печати моделирования методом наплавления.

Современная история 3D-принтеров  началась в 1993 году, когда была создана  компания Solidscape для производства струйных принтеров предшественников 3D-принтеров. Выражение «3D-печать» возникло в знаменитом Массачусетском технологическом институте лишь в 1995 году, когда двое студентов - Джим Бредт и Тим Андерсон модифицировали «плоский» струйный принтер так, чтобы он выводил изображения не на бумагу, а в специальную емкость и делал их объемными. Зарегистрированный патент используется компаниями Z Corporation (создана Бредтом и Андерсоном) и ExOne. Эта технология используется и по сей день в 3D-принтерах, выпускаемых компанией ZCorp. В основе технологии лежит струйная печать, выполняемая блоком головок по порошку на гипсовой основе. При этом три головки такого Z-принтера отвечают за формирование цвета будущей модели, а четвертая содержит прозрачный клей, обеспечивающий надежное послойное склеивание частиц порошка. Эта технология в настоящее время достаточно широко применяется для промышленного 3D-моделирования, хотя и не лишена определенных недостатков, главным из которых является невысокая прочность модели и необходимость ее обработки после изготовления.

 Следующим этапом развития 3D-прототипирования стало появление технологии фотополимерной струйной печати PolyJet. Суть ее заключается в том, что головка принтера наносит послойно слой фотополимера, который тут же затвердевает под действием ультрафиолета. Эта технология и оборудование значительно дешевле, к тому же позволяют производить 3D-печать не только моделей, но и готовых изделий с очень высокой точностью. Принтеры, выпускаемые под маркой PolyJet, в настоящее время являются наиболее доступными по цене, и их уже вполне можно отнести к обычному офисному оборудованию.

Технологии 3D-печати в настоящее  время развиваются очень стремительно, и появляются модели, которые уже  вполне доступны по цене для использования  в малом офисе и даже дома. К  ним относятся 3D-принтеры, осуществляющие печать путем послойного наплавления полимера. Конечно, большие модели на таких устройствах получить будет сложно, но для разработки моделей сувенирной продукции или ювелирных изделий, а также для решения различных дизайнерских задач их можно успешно использовать.

 

2 ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ

3D-печать может осуществляться  разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.На данный момент времени существует две основных технологии выращивания слоев, это лазерная и струйная.  

2.1 Лазерная 3D-печать

Самая старая и пожилая  – лазерная, включающая в себя стереолитографию (SLA), позволяющую создавать трехмерную модель по компьютерным CAD-чертежам. Она и была придумана в 1986 году Чарльзом Халлом. Принцип стереолитографии основывается на фотополимере, который находится в жидком состоянии. При просвечивании этого полимера специальным ультрафиолетовым лучом он застывает, образуя очень плотный и жесткий каркас. В комплекте с лазерным 3D-принтером поставляется специальная программа, разрезающая нужную компьютерную 3D-модель на множество слоев толщиной примерно в 0.1 мм. Кроме того, она переводит каждый слой в рисунок, который впоследствии и начинает "печататься". Фотополимер заливается тонким слоем, просвечивается, застывает, сверху накладывается следующий слой, который вновь застывает под ультрафиолетовым лучом. После многократного повтора таких действий образуется готовая модель прототипа, после чего она промывается и очищается от лишних остатков полимера. На SLA-принтерах можно печатать детали относительно больших размеров до 75 см в высоту. Однако сами устройства очень дороги и отличаются большими размерами величиной размером с немаленький шкаф, они весят около тонны, а стоят в районе 150 тысяч евро. Кроме того, следует отметить и небольшую скорость воспроизведения - всего несколько миллиметров в час. Компенсирует медленную скорость и большую цену высокое качество конечной модели, которая к тому же становится очень надежной и прочной.

Более быстрая и дешевая  методика – технология лазерного  спекания (SLS), где в роли заготовочного  материала выступает уже не фотополимер, а порошок из легкоплавкого пластика. В 3D-принтере,  работающем по такому принципу,  лазер вырезает сечение будущей детали на порошке, который разогревается до температуры  плавления  и впоследствии  спекается. Далее процедура повторяется – насыпается следующий слой порошка и лазер вновь выжигает очередной слой. Данная технология была придумана в середине 80-х, в 1989 году запатентована Карлом Декардом и сейчас используется в продукции компании DTM Corporation. Лазерное спекание позволяет получить очень качественные и прочные модели при относительно высокой скорости (около нескольких сантиметров в час плюс время на прогрев и остывание). Из основных положительных моментов надо отметить возможность печати металлических изделий. Это происходит за счет использования металлической стружки, которая "обваляна" в мельчайших частицах полимера. Модель, изготовленная из такого порошка, помещается в специальную печь, где весь полимер выгорает, а металлическая стружка сплавляется. В результате получается металлическая деталь из смеси стали и бронзы, готовая к использованию. В качестве основы в таком порошке может быть использована керамика или стекло, что позволяет создать после процедуры запекания термостойкую или устойчивую к химическим веществам модель.

2.2 Струйная 3D-печать

Струйная 3D-печать очень  схожа с работой обычного принтера, только вместо краски соплом выдавливается  некоторое количество разогретого  пластика на охлажденную платформу, это так называемая Fused Deposition Modeling (FDM) технология. Капли очень быстро застывают и образуют один из слоев будущей трехмерной модели (как и в лазерной печати, создание модели  ведется послойно). NASA даже собирается интегрировать такой 3D-принтер в космический корабль, рассчитанный на длительные экспедиции. Ведь астронавтам наверняка понадобится какая-то деталь для ремонта или замены, и подобное печатающее устройство попросту  нужно. Все-таки компактный 3D-принтер с несколькими десятками килограмм исходного материала куда компактнее полновесного механического цеха. Существует технология струйной 3D-печати и с использованием полимерного порошка. Компания Z Corporation активно ее продвигает, причем в последнее время весьма и весьма успешно. Специальная головка впрыскивает на гипсовый или крахмальный порошок клеящую основу, которая при застывании образует один из слоев будущей модели. Изюминка данной технологии состоит в том, что в клей можно добавлять красящие вещества и делать модель не только объемной, но и разноцветной. Принтеры, работающие по такому принципу, стоят относительно немного – от 8 до 30 тысяч долларов, что в десятки раз меньше стоимости лазерных аналогов. Компания ProMetal использует схожий принцип 3D-печати, что и Z Corporation, только вместо порошка на гипсовой основе используется металлическая крошка. Ну а дальше дело за малым – обжечь получившуюся модель в печи и получить готовую модель. Ниже приведена сводная таблица основных технологий 3D-печати.

Таблица 1 – Технологии 3D-печати

Название технологии	Принцип работы	Расходный материал
Лазерная стереолитография (SLA)	Объект формируется из жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения. Лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего, объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя.	Смола-фотополимер

 

Продолжение таблицы 1

Селективное лазерное спекание (SLS)	Объект формируется из плавкого порошкового  материала (пластик, металл) путем его  плавления под действием лазерного  излучения. Порошкообразный материал наносится на платформу тонким равномерным  слоем, после чего лазерное излучение  формирует на поверхности текущий  слой разрабатываемого объекта. Затем  платформа опускается на толщину  одного слоя и на нее вновь наносится  порошкообразный материал. анная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, за счет заполнения пустот порошком	Плавкий полимерный порошок
Электронно-лучевая плавка(EBM)	Аналогична технологии SLS, только здесь объект формируется путем плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.	Металлический порошок
Моделирование методом направления(FDM)	Объект формируется путем послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, металл, воск). Рабочий материал подаётся в экструзионную головку, которая выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя текущий слой разрабатываемого объекта. Далее платформа опускается на толщину одного слоя, чтобы можно было нанести следующий слой	Различные плавкие пластики(ABS,PLA),воск
Изготовление объектов при помощи ламинирования(LOM)	Объект формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких плёнок рабочего материала, с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущим инструмента) соответствующих контуров на каждом слое.	Ламинирующие пленки-слои