Как работает 3d-принтер?

Еще несколько десятилетий назад могла показаться фантастикой возможность напечатать дома за считанные минуты практически любой текст, рисунок или фотографию, а сейчас принтером умеет пользоваться почти каждый. Кроме печати изображений, сегодня стало реальностью воплощение объемных объектов по их компьютерным моделям. Периферийные устройства, позволяющие это сделать, называются 3d-принтерами. С их помощью можно создать детали и предметы самой разнообразной формы, которые используются в технике, моделировании пространственных комплексов, быту. Итак, каковы возможности объемной печати и как работает 3d-принтер?

• Принцип трехмерной печати
• Технологии выращивания трехмерных объектов
• Экструзионная печать
• Порошковые способы печати
• Фотополимеризационная печать
• Ламинирование
• Применение 3d-печати

Принцип трехмерной печати

Общеизвестно, как получаются объемные объекты методом литья или механической обработки заготовки, форма которой наиболее близка к конечному результату. Последний принцип, сформулированный Микеланджело как отсекание от камня всего лишнего, используется при создании скульптур. Способ формирования фигуры в трехмерной печати называют аддитивным (от английского add – «добавлять»), и он кардинально отличается от упомянутых выше. Здесь осуществляется послойное формирование объекта путем постепенного нанесения порций материала, то есть создаваемое тело выращивается шаг за шагом до тех пор, пока не приобретет требуемую конфигурацию. Схема, очень упрощенно поясняющая принцип трехмерной печати, показана на картинке.

Путем позиционирования печатающей головки в системе двух координат X и Y выполняется нанесение материала в соответствии с заданной конфигурацией слоя. При перемещении рабочей платформы на шаг вдоль оси Z начинается выращивание следующего уровня объекта.

Первым этапом подготовки к печати является создание компьютерной модели будущего компонента. Это можно сделать двумя способами: используя трехмерный графический редактор или CAD-системы (3D Studio Max, SolidWorks, AutoCAD и другие) либо путем 3d-сканирования объекта, который требуется скопировать. Затем с помощью программного обеспечения принтера происходит разбивка модели на слои и генерация набора команд, определяющих последовательность нанесения материала при печати.

Оборудование, реализующее аддитивный метод создания тел, по аналогии с двумерными периферийными устройствами, характеризуется разрешением по трем осям в пространстве. Эти параметры определяют высоту слоя и точность позиционирования печатающего элемента. Другой важной технической характеристикой 3d-принтера является область печати, от величины которой зависят максимально возможные размеры выращиваемого тела.

В качестве материалов для трехмерных объектов в аддитивном производстве могут использоваться различные виды пластиков, металлические сплавы, минеральные смеси, бумага, фотополимеры. Некоторые 3d-принтеры позволяют работать сразу с несколькими материалами, отличающимися по свойствам или цвету. Существует также метод получения объектов, характеризующихся разнообразием оттенков, путем подмешивания в процессе печати красителя к прозрачному полимеру.

Технологии выращивания трехмерных объектов

Способов трехмерной печати очень много, основные отличия их друг от друга заключаются в принципах формирования слоев и их соединения между собой, а также используемых в работе материалах. Рассмотрим основные технологии аддитивного производства.

Экструзионная печать

Этот метод также называют послойным наплавлением материала, в качестве которого используется термопластик. Устройства, работающие в соответствии с данной технологией, еще именуют FDM-принтерами, они являются наиболее распространенными в наши дни. Схема, поясняющая принцип экструзионной печати, представлена на картинке.

Основной узел FDM-принтера – печатающая головка-экструдер. Картридж для такого устройства представляет собой термопластичный полимер в виде нити, намотанной на катушку. В экструдере путем вращения роликовых элементов рабочий материал подается в зону нагрева, где он расплавляется и выдавливается через сопло, формируя элементарный фрагмент объекта. После печати всего текущего контура платформа перемещается вниз и начинается нанесение нового слоя.

Существуют принтеры, в которых возможно подавать в печатающую головку два вида нити, что позволяет выращивать разноцветные объекты или создавать так называемые поддержки для печати. Последние нужны для построения участков объекта, не контактирующих с нижележащими слоями или основанием. Если использовать в качестве материала для поддержек растворимые в воде вещества, их можно легко убрать, не подвергая обработке основной материал. Вид объекта, отпечатанного с растворимыми опорами, до и после их удаления показан на фото.

Поддержки могут выполняться и из основного термопластика, тогда после отпечатывания модели они выламываются и поверхность доводится до гладкого состояния механической обработкой. Пример детали, изготовленной таким способом, приведен на картинке.

Порошковые способы печати

Технологии этой группы объединяет идея создания цельной структуры из порошковых материалов. Одной из разновидностей является струйная печать, основанная на послойном нанесении компонента, имеющего консистенцию пудры, отдельные фрагменты которого затем пропитываются клеящим составом. Материалы здесь могут быть самые разнообразные: бумага, дерево, минеральные смеси, металлы, пластмассы. Единственное условие – возможность их измельчения до порошкообразного состояния.

Другие способы – лазерное спекание и сплавление – очень похожи и применяются преимущественно для выращивания металлических деталей. Последний позволяет получать наиболее плотные и прочные объекты, структура которых не содержит пор. Пошагово процесс лазерной порошковой 3d-печати показан на иллюстрации.

Фотополимеризационная печать

Данное название объединяет два способа создания трехмерных объектов из жидких веществ особого класса – фотополимеров, застывающих при воздействии на них ультрафиолетового излучения, – лазерную стереолитографию и цифровую светодиодную проекцию.

Схема печати объемного тела по технологии лазерной стереолитографии показана на иллюстрации. Рабочая область погружается в жидкую фотополимерную смолу на уровень одного слоя. Лазерный луч вычерчивает сечение будущего объекта в соответствии с его трехмерной моделью, облученные области материала затвердевают. Затем основание опускается в ванну с жидкой смолой на величину следующего слоя, и его построение осуществляется аналогично предыдущему. Процесс повторяется до выращивания цельного объекта. После этого с изделия смываются остатки материала.

Вторая разновидность фотополимеризационной печати реализуется по тому же принципу, только в качестве источника освещения используются светодиодные проекторы.

Ламинирование

Эта технология заключается в изготовлении объемных объектов из листов бумаги, пластиковых пленок, фольги. Схема процесса печати представлена на картинке. Материал с нанесенным на него клейким покрытием подается на рабочую платформу или нижние слои детали, при прохождении по нему нагретого ролика осуществляется сцепление поверхностей. Затем контур слоя вырезается проецируемым лазерным лучом, который также разделяет остатки листового материала на мелкие фрагменты для облегчения их удаления.

Применение 3d-печати

3d-принтеры используются для быстрого прототипирования и производства штучных деталей, новых компонентов, макетов в промышленном производстве, проектировании предметно-пространственных комплексов, архитектуре, автомобилестроении, индустрии моды, пищевой промышленности, медицине и многих других сферах.

Поскольку трехмерная печать дает практически неисчерпаемые возможности для получения объемных структур любой сложности, этот метод полюбился не только инженерам, но и дизайнерам, создающим с использованием 3d-принтеров одежду и обувь, ювелирные украшения, мелкие предметы быта, элементы мебели, игрушки.

Технологии аддитивного производства также используются при изготовлении медицинских изделий, например, на стереолитографических принтерах печатают имплантаты для стоматологического протезирования. Кроме того, на 3d-принтерах получают искусственные фрагменты скелета, костей, черепа и хрящей человека. Перспективное направление – использование в качестве материала различных типов клеток человеческого организма, благодаря чему появляется возможность печати тканей и органов для трансплантации.

Сегодня 3d-принтеры не получили широкого применения в быту, поскольку эти устройства еще достаточно дороги, да и без изготавливаемых на них предметов вполне можно обойтись. Но кто знает, возможно, в относительно недалеком будущем напечатать дома разбитую чашку, сломанную любимую игрушку ребенка, авторское колечко в подарок девушке или шоколадный десерт к празднику станет таким же обычным делом, как сегодня постирать белье или помыть посуду, не замочив рук.