Ph.D, профессор Укубасова Г.С.

 

Университет Нархоз, Республика Казахстан, г.Алматы

 

обзор современных ТЕХНОЛОГИй 3d-ПЕЧАТи

 

Аннотация: Сегодня 3D-печатью называют автоматизированные методы производства физических объектов по заданным цифровым моделям. В основе которых, лежит принцип послойного нанесения какого-либо материала с помощью лазеров и других приборов. Такой подход отличает ряд важнейших преимуществ перед традиционными техниками производства. В данной статье дана классификация и обзор наиболее распространенных и перспективных технологий 3D печати, их достоинства и недостатки. Приведены области их применения и используемые материалы.

Ключевые слова. 3D-печать, технологии, 3DP, TDP, SL, LS, FDM, LOM, PolyJet.

 

Несмотря на то, что техно­логия 3D-печати появи­лась сравнительно дав­но, мало кто задумывался обо всем ее разнообразии. Трех­мерная печать объектов полу­чила распространение в науч­ном сообществе, а в быту мы о ней узнали только после появления доступных и почти серийных прин­теров. На самом деле различные методы получения заготовок, были изучены на примере выплавления деталей из металла [1].

Существует ряд принци­пиальных отличий создания физического объекта в зависимости от исходных требо­ваний. Один способ печати дешевый, но не обеспечивает должной точности. Другой способ слишком длителен и дорог, но качество на высоте. В любом случае современные методы все еще требуют больших затрат на покупку и обслуживание ЗD-принтеров.

 Рассмотрим существующие технологии 3D-печати:

1) Печать порошком (англ. 3DP - Three Dimensional Printing).         

Данная технология используется в профессиональных 3D-принтерах, которая  позволяет печатать с высо­ким разрешением и в цвете.

Принцип печати заключается в формировании модели в песке или похожем материале путем склеивания определенных об­ластей. Процесс состоит из повторяющихся операций: мелко­дисперсный порошок засыпается тонким слоем и  выравнивается. После этого,  головка 3D-принтера поливает его связующим веществом, окрашенным в нужный цвет. Затем, сверху склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и процесс опять повторяется. Когда завершается один цикл, излишки порошка сдуваются [2].

В отличие от других технологий распространенных сегодня, в применении этого метода, 3D-печати не требует дополнительного материала для поддержки свисающих элементов - его роль играет порошок, равномерно заполняя все свободное пространство.

2) Печать фотополимером (англ. SL – Stereo Lithography).

Сущность метода заключа­ется в проецировании на поли­мерную жидкость среза модели, после чего полимер застывает там, где он освещался. Далее идет послойное повторе­ние этой операции: головка 3D-принтера под­нимается на доли миллиметров и засвечивается следующая про­екция. Распространение полиме­ров с разными физическими свойствами позволяет печатать жесткие, мягкие и даже гибкие модели [2].

Недостатками данного метода является то, что процесс занимает мно­гие часы. Печать происходит со скоростью нескольких миллиме­тров в час. После печати таким способом требует­ся обработка детали - как прави­ло, удаление лишнего материала и поддерживающих элементов.

3) Лазерное спекание (англ. LS – Laser Sintering).

При лазерном спекании луч света проходит по поверхности, и в этом месте полимер застывает под воздействием ультрафиолета. Принцип лазерного спекания очень  похож на технологию печати фотополимерами. Когда формируется объект, то  вместо жидкого полимера используются разные по составу порошки, а в печатающей головке встроен лазер, который спекает их. После фор­мирования слоя излишки удаляются, затем добавляется еще один слой материала [3].

Перечень материалов для моделирования на удивление широкий - среди них и бронза, и сталь, и нейлон, и даже титан.

4) Печать расплавленным материалом (англ. FDM - Fused Deposition Modeling).

FDM - самая распространенная технология среди любительских и полупро­фессиональных принтеров. В основном печать происходит путем нагревания ма­териала и выдавливания его на поверх­ность. Метод схож с принципом клеевого пистолета, где с одного конца устройства подается пластиковый пруток, а на другом конце он разогревается до текучего состо­яния и выдавливается.

Относительная простота конструкции прин­теров этого типа привела к возможности печатать модели несложных форм, при небольших затратах.

 5) Послойное склеивание материалов (англ. LOM – Laminated Object Manufacturing).

Технология использует принцип ламинирования, которая заключается в послойном скле­ивании материалов, например, полимерной пленки или бумаги. Затем идет формирование модели с помощью режущего инструмента или лазерного луча.

Материалами могут служить – бумага, металлическая фольга, полиэтиленовая пленка.

Большим недостатком LOM-печати являются шероховатости. Стереть лишний материал с их поверхности трудно из-за риска рассло­ения. Зато можно без проблем удалить ис­порченные слои и сделать их заново [5].

 6) Сплавление частиц с помощью лазера (англ. LENS – Laser Engineered Net Shaping).

Принцип работы LENS-принтеров заключается в следую­щем: порошок выдувается из сопла и попадает под луч лазе­ра. Часть порошка, которая не попала под луч, покидает рабочую зону, а другая моментально спе­кается, образуя слой. С помощью оптоволоконного лазера мощностью от 400 Вт и металлической пудры эта система может создавать металлические объекты с разре­шением до 0,025 мм.

Одним из важнейших преимуществ данного метода является возможность быстрого создания прототипа детали и ее испытания в среде, в которой детали предстоит работать, что ранее было невозможно. В част­ности, компания Boeing объяви­ла о закупке оборудования для печати перспективных разрабо­ток в металле и их испытания в тестовой лаборатории.

 7) Послойное нанесение фотополимерных материалов (англ. PJ – PolyJet).

Технология, запатентованная израильской компанией Objet, близка к 3D-печати в фотополи­мере [6]. Отличием является то, что фотополимер не схватывается в поддоне, а выстреливается из тонких сопел, как при струйной 3D-печати, и за­тем сразу застывает на по­верхности под воздействием ультрафиолета. Тонкие слои ложатся друг на друга и обра­зуют точную трехмерную мо­дель. Объекты готовы к ис­пользованию в ту же минуту, когда их извлекают из 3D-принте­ра, никакой дополнительной фиксации не требуется.

Выводы: Применение 3D-печати находит себя в самых неожиданных сферах человеческой деятельности, что ещё раз подчёркивает значимость данной технологии. Трудно выделить ту или иную технологию печати, поскольку на выбор влияют множество факторов: материал, финансовые возможности, размеры печати. Можно сказать лишь одно, что до недавнего времени к 3D-печати относились с недоверием до того момента, пока не стало возможным печать из прочных металлов, таких как сталь и титан. После этого многие разработчики и ученые иначе смотрят на данное устройство, т.к., 3D-принтеры уже начинают ощутимо влиять на самые разные индустрии.

 

Литература:

 

1. 3D-принтер для печати металлических объектов [Электронный ресурс]. URL: http://joy4mind.com/?p=12112#ixzz3WYarfJxJ (дата обращения: 12.01.2017).

2. Журнал  Computer  Bild, № 10. - 2014. [Электронный ресурс]. URL: http://www.3dmp.ru/articles/3d-printers-6.php (дата обращения: 05.02.2017).

3. Селективное лазерное спекание (SLS) [Электронный ресурс]. URL: http://3dpr.ru/selektivnoelazernoe-spekanie-sls (дата обращения: 06.02.2017).

4. Классификация 3D-принтеров (7 технологий 3D-печати) [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/208906/ (дата обращения: 07.02.2017).

5. Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) [Электронный ресурс]. URL: http://3dprofy.ru/izgotovlenie-obektov-metodom-lamin/ (дата обращения: 07.02.2017).

6. Что такое 3D-принтер и что можно на нём напечатать? [Электронный ресурс]. URL: http://www.aif.ru/dontknows/file/1379601 (дата обращения: 08.02.2017).