Новая технология 3d печати. II. Те которые что-то спекают или склеивают. Бытовое и любительское применение

История трехмерной печати началась еще в 80-х г. г. XX в., но долгое время она рассматривалась как нечто с ограниченной сферой использования и невероятными ценами. Относительно недавно она стала обретать популярность: разрабатываются новые 3d-технологии печати, которые вызывают интерес не только в узких сферах, но и у компаний из самых разных направлений деятельности. Они активно используют трехмерную печать и вкладывают средства в ее развитие, чтобы добиваться высокой рентабельности и сокращать издержки производства даже самой сложной продукции.

Принцип работы

Если дать краткое объяснение сути 3d-печати – это способ изготовления объемных изделий на основе их цифровых моделей посредством спекания или приклеивания однородного материала. Независимо от того, какая технология для этого применяется, процесс заключается в постепенном послойном наращивании конкретного объекта. С этой точки зрения 3d-печать кардинально отличается от традиционной обработки материалов, которые зачастую подразумевают подход «берем заготовку и удаляем все лишнее», что сопровождается большим количеством отходов. Процесс трехмерной печати начинается с нуля и необходимое изделие постепенно «растет» посредством добавления новых слоев, а отходов при этом практически не бывает (или иногда присутствуют в относительно небольших количествах). Именно с послойным формированием связано другое название 3d-печати – аддитивные технологии (от англ. слова additive – добавлять)

Все изделия печатаются на 3d-принтере, который работает с определенными расходными материалами под управлением программного обеспечения. Упрощенно технология печати состоит из следующих этапов:

создается 3d-модель желаемого объекта по определенным правилам;
загружается файл с трехмерной моделью в программу-слайсер, которая разбивает ее на слои и просчитывает задание на печать в виде специального кода;
указываются необходимые параметры печати;
запускается непосредственно процесс печатания либо код записывается на карту памяти для отложенной печати;
воспроизводится 3d-модель: по форме слоями наносится расходный материал и формируется готовое изделие.

В зависимости от используемых технологий и материалов, полученные изделия можно использовать в машиностроении, для создания литьевых форм, а также в целях визуализации и макетирования различных объектов.

Разнообразие технологий

Сегодня количество существующих технологий, используемых при 3d-печати, уже вышло за пределы первого десятка, даже без учета подобных методов, которым из-за юридических ограничений даются разные названия. Среди них можно выделить 3 основных с некоторыми вариациями, которые отличаются используемыми материалами, точностью и принципами работы, а также самими печатающими устройствами. Каждое печатное устройство предназначено для определенной технологии.

Этот способ 3d-печати позволяет создавать объемные образцы из жидкого фотополимера, который при действии лазерного излучения переходит в твердое состояние. По SLA-технологии объект создается на погруженной в фотополимер платформе, куда направляется луч лазера. Он обеспечивает кристаллизацию материала, и таким образом формируется первый слой будущего изделия. Платформа каждый раз сдвигается на толщину слоя, пустое пространство заполняется жидким полимером, и процесс запекания повторяется до построения желаемого объекта.

Основное преимущество стереолитографии – высокая точность. Разные модели принтеров позволяют достигать толщины слоя в 6-10 микрон (для сравнения толщина человеческого волоса колеблется в пределах 50-100 микрон). За счет этого применение SLA наиболее востребовано в медицине (к примеру, стоматологии) и ювелирном производстве. С другой стороны, промышленные 3d-принтеры позволяют создавать объекты с размерами до нескольких метров.

Одной из вариаций и достойных альтернатив SLA является относительно молодая технология светодиодной 3D-печати DLP (Digital Light Processing). Она предусматривает обработку таких же жидких фотополимеров, но их кристаллизация происходит под действием светодиодных световых проекторов, которые сначала формируют контур слоя, а потом заполняют его. Она также обеспечивает хорошую точность (до 15 мкм) и большое разнообразие физико-химических и механических свойств фотополимерных смол и их цветовых решений. По сравнению со SLA-технологиями имеет дополнительное достоинство – более высокую скорость печати.

Эта технология 3D-печати является самой распространенной на сегодня, поскольку не требует дорогого оборудования, а работа с расходным материалом (пластиковой нитью или прутком) не имеет особых сложностей. Права на аббревиатуру FDM и само название Fused Deposition Modeling (моделирование методом наплавления) принадлежат компании Stratasys. Чтобы обойти патентные ограничения, представители проекта RepRap предложили собственное название FFF или Fused Filament Fabrication (Производство способом наплавления нитей). На практике технология 3D-печати FFF, по сути, означает то же самое, что и FDM.

Принцип работы в этом случае состоит в следующем: головка-экструдер разогревает до полужидкого состояния пластиковые нити и дозировано выпускает их на рабочую платформу. Слои наносятся поочередно, сплавляются между собой и затвердевают, постепенно наращивая изделие, полностью соответствующее цифровому прототипу.

Технология SLS (Selective Lazer Sintering) предполагает использование порошкового расходного материала. В качестве последнего используются порошковые формы бронзы, стали, нейлона, титана и т.д. Но некоторые порошки обладают взрывоопасными свойствами, поэтому требуют хранения исключительно в камерах с азотом. Этот вариант 3d-технологии, которая применяется для печати как пластиком, так и металлом, часто используется в промышленной сфере для создания прочных элементов.

За счет спекания лазерным лучом послойно наращивается структура желаемого объекта, плотность которого будет зависеть от максимальной энергии излучателя. Его контуры постепенно прорисовываются в соответствии с цифровой моделью. При этом спекание зачастую происходит в условиях высоких температур, поэтому на остывание готовых деталей уходит длительное время (вплоть до целого дня).

Одна из особенностей SLS технологии – минимальная вероятность поломки детали в процессе 3d-печати, поскольку поддержкой для ее навесных элементов будет служить неизрасходованный порошковый материал.

Применение трехмерной печати

Сфера применения технологий трехмерной печати практически не имеет границ. Об этом говорит еще одно из названий быстрое прототипирование. Итак, 3d-печать может оказаться незаменимой для:

мелкосерийного производства, когда для изготовления небольших партий, эксклюзивных или персонализированных объектов (предметов искусства, игровых фигурок, экспериментальных образцов) требуется минимальное время от разработки до создания готового изделия, поскольку значительно упрощается работа конструкторов;
автомобильной и аэрокосмической отрасли, где 3d-технологии открывают возможности для печати металлом запасных частей и объектов любых сложных форм, которые зачастую оказываются более прочными и легкими по сравнению с продуктами традиционного производства;
медицины, где на 3d-принтерах уже создаются имплантаты (к примеру, для протезирования в стоматологии) и лекарственные средства, а ученые ведут работу над развитием технологий трехмерной биопечати для создания органов, живых тканей и костей;
строительства, где 3d технологии используются не только для создания архитектурных макетов домов с целых микрорайонов с полагающейся инфраструктурой, но и для печати полноценных строительных материалов и даже целых зданий;
модной индустрии и творческих людей, которые получают возможность раскрывать свой талант с помощью 3d-моделирования и воплощать самые смелые задумки.

На данном этапе 3d-печать развита не настолько сильно, чтобы провести промышленную революцию. Но изготовление сложных объемных изделий с высокой точностью – это рынок, который идеально подходит для реализации и дальнейшего совершенствования этих уникальных технологий будущего. Вполне возможно, что в ближайшем будущем принтером для создания объемных образцов сможет обзавестись каждый желающий и тогда новые горизонты в создании объемных образцов будут ограничены только человеческой фантазией.

Чарльз Халл - отец современной 3D-печати
3D-печать или «аддитивное производство» – процесс создания цельных трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели. 3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели. Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов механического производства и обработки, как фрезеровка или резка, где формирование облика изделия происходит за счет удаления лишнего материала (т.н. «субтрактивное производство»).
3D-принтерами называют станки с программным управлением, выполняющие построение детали аддитивным способом. Хотя технология 3D-печати появилась еще в 80-х годах прошлого века, широкое коммерческое распространение 3D-принтеры получили только в начале 2010-х. Первый дееспособный 3D-принтер был создан Чарльзом Халлом, одним из основателей корпорации . В начале 21 века произошел значительный рост продаж, что привело к резкому падению стоимости устройств. Согласно данным консалтинговой фирмы Wohlers Associates, в 2012 году объем мирового рынка 3D-принтеров и сопутствующих сервисов достиг $2,2млрд., показав рост на 29% по сравнению с 2011 годом.
3D-печатные технологии используются для прототипирования и распределенного производства в архитектуре, строительстве, промышленном дизайне, автомобильной, аэрокосмической, военно-промышленной, инженерной и медицинской отраслях, биоинженерии (для создания искусственных тканей), производстве модной одежды и обуви, ювелирных изделий, в образовании, географических информационных системах, пищевой промышленности и многих других сферах. Согласно исследованиям, домашние 3D-принтеры с открытым исходным кодом позволят отыграть капитальные затраты на собственное приобретение за счет экономичности бытового производства предметов.

Терминология

Аддитивное производство подразумевает постройку объектов за счет добавления необходимого материала, а не удаления лишнего, как в случае с субтрактивными методами
Термин «аддитивное производство» подразумевает технологии по созданию объектов за счет нанесения последовательных слоев материала. Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов (т.н. быстрое прототипирование), так и в качестве самих готовых изделий (т.н. быстрое производство).
В производстве, особенно машинной обработке, термин «субтрактивные» подразумевает более традиционные методы и является ретронимом, придуманным в последние годы для разграничения традиционных способов и новых аддитивных методов. Хотя традиционное производство использует по сути «аддитивные» методы на протяжении веков (такие, как склепка, сварка и привинчивание), в них отсутствует трехмерная информационная технологическая составляющая. Машинная же обработка (производство деталей точной формы), как правило, основывается на субтрактивных методах - опиловке, фрезеровании, сверлении и шлифовании.
Термин «стереолитография» был определен Чарльзом Халлом в патенте от 1984 года, как «система генерирования трехмерных объектов за счет послойного формирования».

Основные принципы

3D-печатные модели

3D-модели создаются методом ручного компьютерного графического дизайна или за счет . Ручное моделирование, или подготовка геометрических данных для создания трехмерной компьютерной графики, несколько напоминает скульптуру. 3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта, а именно формы, цвета и других характеристик, с последующим преобразованием в цифровую трехмерную модель.
И ручное и автоматическое создание 3D-печатных моделей может вызвать трудности у среднего пользователя. В связи с этим в последние годы получили распространение 3D-печатные торговые площадки. Среди наиболее популярных примеров такие сервисы, как Shapeways , Thingiverse и Threeding .
3D-печать

В качестве чертежей для 3D-печатных объектов используются такие цифровые модели
Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл (как правило, в формате STL), содержащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного, бумажного или листового материала, выстраивая трехмерную модель из серии поперечных сечений. Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в CAD-модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности.
«Разрешение» принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах (устаревшим термином является «микрон»). Типичная толщина слоя составляет 100мкм (250 DPI), хотя некоторые устройства вроде и способны печатать слоями толщиной от 16мкм (1 600 DPI). Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров. Типичный размер частиц составляет около 50-100мкм (от 510 до 250 DPI) в диаметре.

Один из методов получения цифровой модели - трехмерное сканирование. На иллюстрации 3D-сканер MakerBot Digitizer
Построение модели с использованием современных технологий занимает от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от используемого метода, а также размера и сложности модели. Промышленные аддитивные системы могут, как правило, сократить время до нескольких часов, но все зависит от типа установки, а также размера и количества одновременно изготавливаемых моделей.
Традиционные производственные методы вроде литья под давлением могут обходиться дешевле при производстве крупных партий полимерных изделий, но аддитивные технологии обладают преимуществами при мелкосерийном производстве, позволяя достигнуть более высокого темпа производства и гибкости дизайна, наряду с повышенной экономичностью в пересчете на единицу произведенного товара. Кроме того, настольные 3D-принтеры позволяют дизайнерам и разработчикам создавать концептуальные модели и прототипы, не выходя из офиса.
Обработка

Схема работы 3D-принтеров типа FDM
Хотя разрешение принтеров вполне достаточно для большинства проектов, печать объектов со слегка превышенными измерениями и последующей субтрактивной механической обработкой высокоточными инструментами позволяет создавать модели повышенной точности.
Примерами устройств с подобным комбинированным методом изготовления и обработки служит . Некоторые методы аддитивного производства предусматривают возможность использования нескольких материалов, а также разных цветов в течение одного производственного цикла. Многие из 3D-принтеров используют «поддержки» или «опоры» во время печати. Опоры необходимы для построения фрагментов модели, не соприкасающихся с нижележащими слоями или рабочей платформой. Сами опоры не являются частью заданной модели, и по завершении печати либо отламываются (в случае использования того же материала, что и для печати самой модели), либо растворяются (как правило, в воде или ацетоне – в зависимости от материала, используемого для создания опор).

Технологии печати

С конца 1970-х на свет появилось несколько методов 3D-печати. Первые принтеры отличались крупными габаритами, высокой стоимостью и весьма ограниченными возможностями.

Готовая модель черепа с еще не удаленными опорами

В настоящее время доступен широкий аддитивного производства. Основные различия заключаются в методе нанесения слоев и используемых расходных материалах. Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоев: сюда входит выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), печать методом послойного наплавления (FDM или FFF). Другим направлением стало производство твердых моделей за счет полимеризации жидких материалов, известное как стереолитография (SLA).
В случае с ламинированием листовых материалов (LOM), тонкие слои материала подвергаются резке до необходимого контура, с последующим соединением в единое целое. В качестве материалов для LOM могут использоваться бумага, полимеры и металлы. Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки, в связи с чем некоторые компании предлагают выбор расходного материала для построения модели – полимера или порошка. Принтеры, работающие по технологии LOM, зачастую используют обычную офисную бумагу для постройки прочных прототипов. Ключевыми моментами при выборе подходящего устройства являются скорость печати, цена 3D-принтера, себестоимость печатаемых прототипов, а также стоимость и ассортимент совместимых расходных материалов.

Принтеры, изготавливающие полноценные металлические модели, имеют достаточно высокую стоимость, однако возможно использование менее дорогих устройств для производства литейных форм с последующей отливкой металлических деталей.
Основные методы аддитивного производства представлены в таблице:


Метод	Технология	Используемые материалы
Экструзионный	Моделирование методом послойного наплавления (FDM или FFF)	Термопластики (такие как полилактид (PLA), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и др.)
Проволочный	Производство произвольных форм электронно-лучевой плавкой (EBFȝ)
Порошковый	Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)	Практически любые металлические сплавы
		Титановые сплавы
		Титановые сплавы, кобальт-хромовые сплавы, нержавеющая сталь, алюминий
	Выборочное тепловое спекание (SHS)	Порошковые термопластики
	Выборочное лазерное спекание (SLS)	Термопластики, металлические порошки, керамические порошки
Струйный	Струйная трехмерная печать(3DP)	Гипс, пластики, металлические порошки, песчаные смеси
Ламинирование	Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)	Бумага, металлическая фольга, пластиковая пленка
Полимеризация	Стереолитография (SLA)	Фотополимеры
Полимеризация	Цифровая светодиодная проекция (DLP)	Фотополимеры

Экструзионная печать

Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) было разработано С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и получило коммерческое распространение в 1990 силами компании , в числе основателей которой числится сам Трамп. В связи с истечением срока действия патента существует большое сообщество разработчиков 3D-принтеров с открытым исходным кодом, а также коммерческих организаций, использующих данную технологию. Как следствие, стоимость устройств уменьшилась на два порядка со времени изобретения технологии.

3D-принтеры варьируются от простейших самодельных устройств для печати пластиком...
Процесс печати методом послойного наплавления подразумевает создание слоев за счет экструзии быстрозастывающего материала в виде микрокапель или тонких струй. Как правило, расходный материал (например, термопластик) поставляется в виде катушек, с которых материал скармливается в печатную головку, называемую «экструдером». Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием расплавленной массы через сопло. Сам экструдер приводится в движение пошаговыми двигателями или сервомоторами, обеспечивающими позиционирование печатной головки в трех плоскостях. Перемещение экструдера контролируется производственным программным обеспечением (CAM), привязанным к микроконтроллеру.
В качестве используются всевозможные полимеры, включая акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), поликарбонат (), полилактид (PLA), полиэтилен высокого давления (HDPE), смеси поликарбоната и ABS-пластика, полифениленсульфон (PPSU) и др. Как правило, полимер поставляется в форме наполнителя, изготовленного из чистого пластика. В сообществе энтузиастов 3D-печати существует несколько проектов, направленных в материалы для 3D-печати. Проекты основаны на выработке расходных материалов с помощью шредеров и переплавляющих устройств.

Технология FDM/FFF имеет определенные ограничения по сложности создаваемых геометрических форм. Например, создание навесных конструкций (таких, как сталактиты) невозможно само по себе, ввиду отсутствия необходимой поддержки. Это ограничение компенсируется созданием временных опорных конструкций, удаляемых по завершении печати.
Порошковая печать

Одним из методов аддитивного производства является . Слои модели вычерчиваются (спекаются) в тонком слое порошкообразного материала, после чего рабочая платформа опускается, и наносится новый слой порошка. Процесс повторяется до получения цельной модели. Неизрасходованный материал остается в рабочей камере и служит для поддержки нависающих слоев, не требуя создания специальных опор.

Наиболее распространенными являются методы, основанные на спекании с помощью лазеров: выборочное лазерное спекание (SLS) для работы с металлами и полимерами (например, полиамидом (PA), полиамидом, армированным стекловолокном (PA-GF), стекловолокном (GF), полиэфирэфиркетоном (PEEK), полистиролом (PS), алюмидом, полиамидом, армированным углеволокном (Carbonmide), эластомерами) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS) .

... до дорогих промышленных установок, работающих с металлами
Метод выборочного лазерного спекания (SLS) был разработан и запатентован Карлом Декардом и Джозефом Биманом из Техасского университета в Остине в середине 1080-х под эгидой Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA). Схожий метод был запатентован Р. Ф. Хаусхолдером в 1979 году, но не получил коммерческого распространения.

Выборочная лазерная плавка (SLM) отличается тем, что не спекает, а фактически расплавляет порошок с местах соприкосновения с мощным лазерным лучом, позволяя создавать материалы высокой плотности, аналогичные в плане механических характеристик изделиям, изготовленным традиционными методами.

Электронно-лучевая плавка (EBM) является схожим методом аддитивного производства металлических деталей (например, из титановых сплавов), но с использованием электронных пучков вместо лазеров. EBM основывается на плавке металлических порошков слой за слоем в вакуумной камере. В отличие от спекания при температурах ниже порогов плавления, модели, изготовленные электронно-лучевой плавкой отличаются монолитностью с соответствующей высокой прочностью.

Наконец, существует метод струйной 3D-печати. В данном случае на тонкие слои порошка (гипса или пластика) наносится связующий материал в соответствии с контурами последовательных слоев цифровой модели. Процесс повторяется до получения готовой модели. Технология обеспечивает широкий диапазон применения, включая создание цветных моделей, навесных конструкций, использование эластомеров. Конструкция моделей может быть усилена за счет последующей пропитки воском или полимерами.

Ламинирование

3D-принтеры, работающие по технологии FDM, наиболее популярны среди любителей и энтузиастов
Некоторые принтеры используют в качестве материала для построения моделей бумагу, тем самым снижая стоимость печати. Подобные устройства пережили пик популярности в 1990-х. Технология заключается в выкраивании слоев модели из бумаги с помощью углекислотного лазера с одновременным ламинированием контуров для формирования готового изделия.

В 2005 году компания разработала вариант технологии, использующий обычную офисную бумагу, лезвие из карбида вольфрама вместо лазера и выборочное нанесение клея.

Также существуют варианты устройств, осуществляющие ламинирование тонкими металлическими и пластиковыми листами.

Фотополимеризация

3D-печать позволяет создавать функциональные монолитные детали сложной геометрической формы, как эта форсунка для реактивного двигателя
Технология стереолитографии была запатентована Чарльзом Халлом в 1986 году. Фотополимеризация в основном используется в стереолитографии (SLA) для создания твердых объектов из жидких материалов. Этот метод значительно отличается от предыдущих попыток, начиная со скульптурных портретов Франсуа Виллема (1830-1905) и заканчивая фотополимеризацией по методу Мацубары (1974).

Метод цифровой проекции (DLP) использует жидкие фотополимерные смолы, затвердевающие под воздействием ультрафиолетового света, излучаемого цифровыми проекторами в рабочей камере с защитным покрытием. После затвердевания материала рабочая платформа погружается на глубину, равную толщине одного слоя, и жидкий полимер вновь облучается. Процедура повторяется до завершения постройки модели. Примером системы быстрого прототипирования с использованием цифровых светодиодных проекторов служит .

Струйные принтеры (например, Objet PolyJet) распыляют тонкие слои (16-30мкм) фотополимера на рабочую платформу до получения цельной модели. Каждый слой облучается ультрафиолетовым пучком до затвердевания. В результате получается модель, готовая к немедленному использованию. Гелеобразный опорный материал, используемый для поддержки компонентов геометрически-сложных моделей, удаляется после изготовления модели вручную и промывкой. Технология допускает использование эластомеров.

Сверхточная детализация моделей может быть достигнута с помощью многофотонной полимеризации. Данный метод сводится к вычерчиванию контуров трехмерного объекта фокусированным лазерным пучком. Благодаря нелинейному фотовозбуждению материал застывает только в точках фокусирования лазерного пучка. Данный метод позволяет с легкостью добиваться разрешений свыше 100мкм, а также выстраивать сложные структуры с движущимися и взаимодействующими частями.

Еще одним популярным методом является полимеризация с помощью светодиодных проекторов или «проекционная стереолитография».

Проекционная стереолитография

Данный метод подразумевает разделение цифровой трехмерной модели на горизонтальные слои с преобразованием каждого слоя в двухмерную проекцию, аналогичную фотошаблонам. Двухмерные изображения проецируются на последовательные слои фотополимерной смолы, затвердевающие в соответствии с проецируемыми контурами.

В некоторых системах проекторы расположены снизу, способствуя выравниванию поверхности фотополимерного материала при вертикальном движении модели (в данном случае рабочая платформа с нанесенными слоями передвигается вверх, а не погружается в материал) и сокращению производственного цикла до минут вместо часов.

Технология позволяет создавать модели со слоями из нескольких материалов с разной скоростью застывания.

Некоторые коммерческие модели, например Objet Connex, наносят смолу с помощью небольших сопел.

3D-принтеры

Промышленные установки

Промышленное внедрение аддитивного производства идет высокими темпами. К примеру, совместная американо-израильская компания Stratasys поставляет установки для аддитивного производства стоимостью от $2 000 до $500 000, а компания General Electric использует устройства высокого класса для производства
Бытовые устройства

Технология LOM поднимает папье-маше на качественно новый уровень Разработка 3D-принтеров для бытового использования ведется нарастающим числом компаний и энтузиастов. Большая часть работы выполняется силами любителей для собственных и общественных нужд, с помощью со стороны академического сообщества и хакеров.

Старейшим и наиболее долгоживущим проектом в категории настольных 3D-принтеров является RepRap. Проект RepRap направлен на создание 3D-принтеров с бесплатным открытым исходным кодом (FOSH), предоставляемым по универсальной общественной лицензии GNU. Устройства RepRap способны печатать пластиковые компоненты из состава собственной конструкции, которые могут быть использованы для постройки клонов оригинального устройства. Отдельные устройства RepRap успешно применяются для производства печатных плат и металлических частей.

В связи с открытым доступом к чертежам принтеров RepRap, многие из проектов перенимают технические решения аналогов, создавая, таким образом, подобие экосистемы, состоящей по большей части из свободно модифицируемых устройств. Широкая доступность дизайнов с открытым кодом только способствует возникновению вариантов. С другой стороны, наблюдается существенный разброс в уровне качества и сложности как самих дизайнов, так и изготовляемых на их основе устройств. Быстрое развитие 3D-принтеров с открытым исходным кодом ведет к росту популярности и образованию общественных и коммерческих порталов (таких, как Thingiverse или Cubify), предлагающих различные 3D-дизайны, пригодные для печати. Кроме того, развитие технологии способствует устойчивому развитию местных экономик благодаря возможности использования локально-доступных материалов для производства принтеров.

Стереолитографические 3D-принтеры зачастую используются в стоматологическом протезировании

Стоимость 3D-принтеров сокращается значительными темпами, начиная с примерно 2010 года: устройства, стоившие на тот момент $20 000, ныне обходятся в $1 000 или меньше. Многие компании и индивидуальные разработчики уже предлагают бюджетные комплекты для сборки RepRap стоимостью менее $500. Открытый проект привел к разработке принтеров общего назначения, способных печатать всем, что может быть выдавлено через сопло – от шоколада до силиконовой замазки и химических реагентов.
Принтеры, выполненные на основе этого дизайна доступны в виде сборочных комплектов с 2012 года по цене около $2 000. Некоторые 3D-принтеры, включая и , изначально рассчитаны на максимальную ценовую доступность – так, устройство рассчитано на стоимость порядка $100.
Профессиональные принтеры, разработанные за счет общественного финансирования на площадке Kickstarter , зачастую показывают прекрасные результаты: устройства отличаются бесшумной работой и отсутствием вредных испарений при цене в $1 499. «3D-печатающая ручка» собрала $2,3млн. в пожертвованиях на Kickstarter, с отпускной ценой самого устройства в $99. Правда, полноценным 3D-принтером 3D Doodler назвать сложно.

3D Systems Cube - популярный бытовой 3D-принтер

По мере падения стоимости, 3D-принтеры становятся все более привлекательными для бытового производства. Кроме того, бытовое применение технологий 3D-печати может снизить экологический урон, наносимый промышленностью, за счет снижения объемов расходуемых материалов и затрат энергии и топлива на перевозку материалов и товаров.

Параллельно созданию домашних 3D-печатных устройств идет разработка приспособлений для переработки домашних отходов в печатные материалы, т.н. . Например, коммерческая модель Filastrucer была спроектирована для переработки пластиковых отходов (бутылок из-под шампуня, молочных контейнеров) в недорогой расходный материал для RepRap принтеров. Подобные методы бытовой утилизации не только практичны, но и оказывают положительное влияние на экологическую обстановку.

Разработка и кастомизация 3D-принтеров RepRap привела к появлению новой категории полупрофессиональных принтеров для малого бизнеса. Такие производители, как , и предлагают комплекты по цене ниже $1 000. Точность печати подобных устройств находится между промышленными и бытовыми принтерами. В последнее время набирают популярность принтеры повышенной производительности, использующие дельтаобразную систему координат, или так называемые « ». Некоторые компании предлагают программное обеспечение для поддержки принтеров, произведенных другими компаниями.

Применение

Использование светодиодных проекторов помогает снизить стоимость стереолитографических принтеров. На иллюстрации DLP принтер Nova

Трехмерная печать позволяет уравнять стоимость производства одной детали и массового производства, что представляет угрозу для масштабных экономик. Влияние 3D-печати может оказаться подобным внедрению мануфактуры. В 1450-х никто не мог предсказать последствия внедрения печатного станка, в 1750-х никто не воспринимал всерьез появление парового двигателя, а транзисторы 1950-х казались любопытным новшеством. Но технология продолжает развитие и, вероятнее всего, окажет влияние на каждую научную и производственную отрасль, с которой она соприкоснется.

Наиболее ранним применением аддитивного производства можно считать быстрое прототипирование, нацеленное на сокращение времени разработки новых частей и устройств по сравнению с более ранними субтрактивными методами (слишком медленными и дорогими). Совершенствование технологий аддитивного производства приводит к их распространению в самых разных областях науки и промышленности. Производство деталей, ранее доступных только за счет машинной обработки, теперь возможно за счет аддитивных методов, причем по более выгодной цене.
Области применения включают макетирование, прототипирование, литье, архитектуру, образование, картографию, здравоохранение, розничную торговлю и др.
Промышленное применение:
Быстрое прототипирование: Промышленные 3D-принтеры используются для быстрого прототипирования и исследований с начала 1980-х. Как правило, это достаточно крупногабаритные установки, использующие порошковые металлы, песчаные смеси, пластики и бумагу. Подобные устройства зачастую применяются университетами и коммерческими компаниями.

Достижения в области быстрого прототипирования привели к созданию материалов, пригодных для производства конечных изделий, что в свою очередь способствовало развитию 3D-производства готовых изделий, как альтернативы традиционным методам. Одним из преимуществ быстрого производства является относительно невысокая стоимость изготовления мелких партий.

Быстрое производство: быстрое производство остается достаточно новым методом, чьи возможности пока еще не полностью исследованы. Тем не менее, многие эксперты склонны считать быстрое производство технологией качественно нового уровня. Одними из наиболее многообещающих направлений быстрого прототипирования для адаптации в быстрое производство являются выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое спекание металлов (DMLS).
Массовая кастомизация: некоторые компании предлагают услуги по пользовательской кастомизации объектов с помощью упрощенного программного обеспечения с последующим созданием уникальных 3D-моделей на заказ. Одним из наиболее популярных направлений стало изготовление корпусов сотовых телефонов. В частности, компания Nokia выложила в открытый доступ дизайны корпусов своих телефонов для пользовательской кастомизации и 3D-печати.
Массовое производство: текущая низкая скорость печати 3D-принтеров ограничивает их использование в массовом производстве. Для борьбы с этим недостатком некоторые FDM устройства оснащаются несколькими экструдерами, позволяющими печатать разными цветами, разными полимерами и даже создавать несколько моделей одновременно. В целом, такой подход повышает производительность, не требуя при этом использования нескольких принтеров – для работы нескольких печатных головок хватает одного микроконтроллера.

Устройства с несколькими экструдерами позволяют создавать несколько идентичных объектов лишь по одной цифровой модели, но в то же время допускают использование разных материалов и цветов. Скорость печати возрастает пропорционально количеству печатающих головок. Кроме того, достигается определенная экономия электроэнергии за счет использования общей рабочей камеры, зачастую требующей подогрева. Вместе, эти два момента снижают себестоимость процесса.

Многие из принтеров оснащаются двойными печатными головками, однако данная конфигурация используется только для печати одиночных моделей разными цветами и материалами.

Бытовое и любительское применение

На сегодняшний день бытовая 3D-печать в основном привлекает внимание энтузиастов и любителей, в то время как практическое применение достаточно ограничено. Тем не менее, 3D-принтеры уже использовались для печати работающих механических часов, шестеренок для деревообрабатывающих станков, украшений и пр. Вебсайты, связанные с домашней 3D-печатью, зачастую предлагают дизайны крючков, дверных ручек, массажных инструментов и т.д.

Применяется 3D-печать и в любительской ветеринарии и зоологии – в 2013 году 3D-печатный протез позволил поднять на ноги утенка, а стильные 3D-печатные раковины приходятся по душе ракам-отшельникам. 3D-принтеры достаточно широко применяются для бытового производства бижутерии – ожерелий, колец, сумочек и пр.

Открытый проект Fab@Home направлен на разработку бытовых принтеров общего назначения. Устройства испытывались в исследовательских условиях на предмет использования новейших 3D-печатных технологий для производства химических соединений. Принтер может печатать любым материалом, пригодным для экструзии из шприца в виде жидкости или пасты. Разработка направлена на возможность домашнего производства лекарств и бытовой химии в удаленных районах проживания.

Студенческий проект OpenReflex привел к созданию дизайна аналогового зеркального фотоаппарата, пригодного для 3D-печатного производства.

Одежда

3D- печать получает распространение – кутюрье используют принтеры для экспериментов по созданию купальников, обуви и платьев. Коммерческое применение включает быстрое прототипирование и 3D-печатное производство профессиональной спортивной обуви - Vapor Laser Talon для футболистов и New Balance для легкоатлетов.

3D-биопечать

Медицинские имплантаты из титана, созданные с помощью технологии EBM

В настоящее время ведутся исследования в области 3D-печати силами биотехнологических компаний и академических учреждений. Исследования направлены на изучение возможности применения струйной/капельной 3D-печати в тканевой инженерии для создания искусственных органов. Технология основывается на нанесении слоев живых клеток на гелевый субстрат или сахарный матрикс, с постепенным послойным наращиванием для создания трехмерных структур, включая сосудистые системы. Первая производственная система для 3D-печати тканей, основанная на биопечатной технологии NovoGen, была представлена в 2009 году. Для описания этой исследовательской области используется целый ряд терминов: печать органов, биопечать, компьютерная тканевая инженерия и др.

Один из пионеров 3D-печати, исследовательская компания , проводит лабораторные исследования и развивает производство функциональных трехмерных образцов человеческих тканей для использования в медицинских и терапевтических исследованиях. Для биопечати компания использует 3D-принтер NovoGen MMX. Organovo считает, что биопечать позволит ускорить тестирование новых медицинских препаратов перед клиническими испытаниями, что позволит экономить время и средства, вкладываемые в разработку лекарств. В долгосрочной перспективе Organovo надеется адаптировать технологию биопечати для создания трансплантатов и применения в хирургии.

3D-печать имплантатов и медицинских аппаратов

3D-печать используется для создания имплантатов и устройств, применяемых в медицине. Успешные операции включают такие примеры, как вживление , а также . Наиболее широкое применение 3D-печати ожидается в производстве слуховых аппаратов и стоматологии. В марте 2014 года хирурги из Суонси использовали 3D-печать для реконструкции лица мотоциклиста, получившего серьезные травмы в дорожной аварии.

3D-печатные сервисы

Некоторые компании предлагают услуги по 3D-печати онлайн, доступные для индивидуальных заказчиков и промышленных компаний. От заказчика требуется подгрузка 3D-дизайна на сайт, после чего модель печатается с помощью промышленных установок. Готовое изделие либо доставляется заказчику, либо подлежит самовывозу.

Исследование новых применений

3D-печать позволяет создавать полностью функциональные металлические изделия, вплоть до оружия.
Будущее применение 3D-печати может включать создание научного оборудования с открытым исходным кодом для использования в открытых лабораториях и другого научного применения – реконструкции окаменелостей в палеонтологии, создания дубликатов бесценных археологических артефактов, реконструкции костей и частей тел для судебно-медицинской экспертизы, реконструкции сильно поврежденных улик, собранных с мест преступлений. Технология также рассматривается для применения в строительстве.

В 2005 году академические журналы начали публиковать материалы по возможности применения технологий 3D-печати в искусстве. В 2007 году Wall Street Journal и журнал Time включили 3D-дизайн в список 100 самых значительных достижений года. В Музее Виктории и Альберта на Лондонском дизайнерском фестивале в 2011 году была представлена экспозиция Мюррэя Мосса под названием «Индустриальная революция 2.0: как материальный мир материализуется заново», посвященная технологиям 3D-печати.

В 2012 году экспериментальный проект Университета Глазго показал, что 3D-печать может быть использована для производства химических соединений, включая доселе неизвестные. В ходе проекта были напечатаны сосуды для хранения химических реагентов, в которые с помощью аддитивных установок впрыскивались «химические чернила» с последующей реакцией. Состоятельность технологии была доказана производством новых соединений, но конкретное практическое применение в ходе эксперимента не преследовалось. Лаборатория Cornell Creative Machines подтвердила возможность создания с помощью гидроколлоидной 3D-печати. Профессор Лерой Кронин из Университета Глазго предложил использовать «химические чернила» для печати медицинских препаратов.

Использование технологий 3D-сканирования позволяет создавать реплики настоящих объектов без использования литейных методов, требующих высоких затрат, сложных в исполнении и способных оказывать разрушающее воздействие в случаях с драгоценными и хрупкими объектами культурного наследия.

Дополнительным примером разрабатываемых технологий трехмерной печати служит применение аддитивного производства в строительстве. Это могло бы позволить ускорить темпы строительства с одновременным снижением стоимости. В частности, рассматривается возможность использования технологии для постройки космических колоний. Например, проект Sinterhab направлен на исследование возможности аддитивного производства лунных баз с использованием лунного реголита в качестве основного строительного материала. Вместо использования связующих материалов, рассматривается возможность микроволнового спекания реголита в цельные строительные блоки.

Аддитивное производство позволяет создавать волноводы, муфты и изгибы в терагерцевых устройствах. Высокая геометрическая сложность подобных изделий не могла быть достигнута традиционными производственными методами. Коммерчески доступная профессиональная установка была использована для создания структур с разрешением в 100 микрон. Напечатанные структуры были гальванизированы золотом для создания терагерцевого плазмонного аппарата.

Китай выделил почти $500млн. на развитие 10 национальных институтов по разработке технологий 3D-печати. В 2013 году китайские ученые приступили к печати живых хрящевых, печеночных и почечных тканей с помощью специализированных 3D-биопечатных принтеров. Исследователи из Университета Ханчжоу Дианци даже разработали для этой сложной задачи собственный 3D-биопринтер, получивший название Regenovo. Один из разработчиков Regenovo, Сюй Минген, заявил, что принтеру требуется менее часа для производства небольшого образца печеночной ткани или четырех-пяти дюймового образца ушного хряща. Сюй предрекает появление первых полноценных печатных искусственных органов в течение следующих 10-20 лет. В том же году исследователи из бельгийского Университета Хасселта успешно для 83-летней женщины. После вживления имплантата пациент может нормально жевать, разговаривать и дышать.

В Бахрейне 3D-печать материалами, напоминающими песчаник, позволила создать уникальные структуры для поддержки роста кораллов и восстановления поврежденных рифов. Данные структуры имеют более натуральную форму, чем конструкции, использовавшиеся ранее, и не обладают кислотностью бетона.

Интеллектуальная собственность

Срез печеночной ткани, напечатанной специалистами компании Organovo, работающей над совершенствованием технологий 3D-печати для производства искусственных органов
3D-печать существует на протяжении десятилетий, и многие аспекты технологий попадают под патенты, авторские права и защиту торговых марок. Однако, с точки зрения юриспруденции не совсем ясно, как законы о защите интеллектуальной собственности будут применяться на практике, если 3D-принтеры получат широкое
распространение и будут применяться в бытовом производстве товаров для личных нужд, некоммерческого использования или для продажи.

Любые из защитных мер могут негативно повлиять на распространение дизайнов, используемых в 3D-печати или реализацию напечатанных изделий. Для использования защищенных технологий может потребоваться разрешение владельца, что в свою очередь потребует уплаты роялти.

Патенты распространяются на некоторые процессы, устройства и материалы. Срок действия патентов варьируется в разных странах.

Зачастую авторские права распространяются на выражение идей в виде материальных объектов и длятся на протяжении жизни автора, плюс 70 лет. Таким образом, если кто-то создаст статую и получит авторские права, распространение дизайнов для печати идентичной или подобной статуи будет незаконным.

Влияние 3D-печати

Аддитивное производство требует от производственных компаний гибкости и постоянного совершенствования доступных технологий для поддержания конкурентоспособности. Защитники аддитивного производства предрекают нарастание противостояния 3D-печати и глобализации по мере того, как домашнее производство будет вытеснять торговлю товарами между потребителями и крупными производителями. В реальности, интеграция аддитивных технологий в коммерческое производство служит как дополнение традиционных субтрактивных методов, а не полная замена последних.

Космические исследования

В 2010 году начались работы по применению 3D-печати в условиях невесомости и низкой гравитации. Основной целью является создание ручных инструментов и более сложных устройств «по мере необходимости» вместо использования ценного грузового объема и топлива для доставки готовых изделий на орбиту.

3D-печатью заинтересовалась даже NASA
В то же время, NASA проводит совместные тесты с компанией Made in Space, направленные на оценку потенциала 3D-печати в снижении стоимости и повышении эффективности космических исследований. Детали ракет, изготовленные NASA с помощью аддитивных технологий, в июле 2013 года: две топливные форсунки показали результаты на уровне деталей, производимых традиционными методами, во время рабочих тестов, подвергших детали температурам около 3 300°С и высоким уровням давления. Примечательно, что NASA готовится : агентство собирается продемонстрировать возможность создания запасных частей прямо на орбите, вместо дорогостоящей транспортировки с земли.

Социальные перемены

Тема социальных и культурных перемен, как результата внедрения коммерчески доступных аддитивных технологий, обсуждается писателями и социологами с 1950-х. Одним из наиболее интересных предположений стало возможное стирание границ между бытом и рабочими местами в результате массового внедрения 3D-принтеров в домашние условия. Также указывается легкость передачи цифровых дизайнов, что в комбинации с локальным производством будет способствовать снижению необходимости в глобальных транспортных перевозках. И наконец, защита авторских прав может претерпеть изменения с учетом легкости аддитивного производства многих товаров.

Огнестрельное оружие

В 2012 году американская компания Defense Distributed опубликовала планы по созданию «дизайна функционального пластикового оружия, доступного для скачивания и воспроизведения любым пользователем с доступом к 3D-принтеру». Defense Distributed разработала 3D-печатную версию ствольной коробки для винтовки AR-15, способную выдерживать более 650 выстрелов, и магазина на 30 патронов для винтовки M-16. AR-15 имеет две ствольные коробки (нижнюю и верхнюю), но легальный учет привязан к нижней коробке, имеющей штамп с серийным номером. Вскоре после того, как Defense Distributed создала первые рабочие чертежи для производства пластикового оружия в мае 2013 года, Государственный департамент США потребовал удаления инструкций с сайта компании.

Распространение чертежей компанией Defense Distributed подогрело дискуссию о возможном влиянии 3D-печати и цифровых обрабатывающих устройств на эффективность контроля незаконного оборота оружия. Однако борьба с распространением цифровых оружейных моделей неминуемо столкнется с теми же проблемами что и попытки предотвращения торговли пиратским контентом.

О возможности создания машин, которые буквально «выращивают» дома, писали фантасты ещё в 19 веке. Да что говорить, ещё лет двадцать назад эта технология казалась чем-то невероятным. А вот сегодня она уже вошла в наш быт. Никто не удивится, увидев строительную площадку, на которой в паре работают человек и машина: оператор системы и кран с насадкой для подачи строительной смеси. Тема этого материала HouseСhief.ru – применение 3D-принтера в строительстве. Мы будем говорить не о фантастике, а о реальном опыте в этом направлении и приведём примеры готовых объектов, а также расскажем о возможности приобретения такого устройства.

Читайте в статье

Что такое 3D принтер и для чего его используют

Современные строительные технологии – очень востребованный товар, специалистов в этом деле принимают с распростёртыми объятиями, переманивая у конкурентов. Гонка почти космическая – кто первым выложит на рынок инновацию, тот и получит супервыгоду. Неудивительно, что трудолюбивые китайцы уже не просто изобрели, но и стали чуть ли не массово выпускать строительные принтеры. Они продемонстрировали миру, как всего один агрегат за 30 дней построил целый поселок. Не отстают от них и другие страны, отечественные производители тоже включились в этот бизнес и пока на их стороне очевидная выгода – устройство строительного принтера довольно габаритное.

Итак, что такое 3D принтер и как он работает? Главная задача механизма состоит в последовательной послойной подаче строительной смеси на площадку. Программное обеспечение руководит сервоприводом, заставляя его оставлять места для оконных и дверных проемов, прокладки коммуникаций. Материалом строительства является обычный пескобетон, а также смеси на основе гипса, фиброволокна и геополимеров.

Работа устройства требует предварительной подготовки площадки и проекта здания.

И, наконец, несомненным преимуществом является существенное сокращение сроков строительства. Работы на 3D принтере могут вестись круглосуточно, ему не требуется специальное освещение или выходные дни.

Прежде чем вы озадачитесь покупкой строительной машины, обратите внимание и на её недостатки:

для строительства невозможно использовать вибробетон, требуются смеси с высокой скоростью схватывания и затвердения;
пока не разработана четкая методика армирования конструкций;
нет возможности удалять воздух методом виброобработки, могут образовываться полости с воздухом, что снижает прочность конструкции;
работать 3D принтером можно только при положительной температуре в сухую погоду.

Современные технологии и производители принтеров для 3D печати домов

Технология Contour Crafting была изобретена иранцем Б. Хошневисом. В настоящее время этот ученый продолжает свои разработки под патронажем ВМС США и NASA. Большая часть его трудов пока засекречена, но основной принцип известен – он заключается в нанесении смеси с помощью экструдера. Ученый работает над задачей полностью автоматизировать процесс, включая установку арматуры.

Итальянец Энрико Дини пошёл в своих разработках другим путём: он предлагает использовать не один экструдер, а комплект из сотен сопел, который крепится к подвижному манипулятору. Работа машины напоминает струйный принтер, он напыляет смесь песка и оксидов металлов с хлоридом магния. Технология получила название D –Shape.

Отечественный конструктор Андрей Руденко отвез своё детище, строительный принтер «СтройБот», в США. После нескольких неудачных попыток привлечь внимание к своей работе, он наконец нашел отличный способ прорекламировать свой продукт – построил часть гостиницы для филлипинского предпринимателя. В качестве рабочей смеси он использовал геополимерный бетон.

Реальный опыт производства и продаж в этой области у екатеринбургской компании «Спецавиа». Сегодня этот отечественный производитель предлагает 7 вариантов строительных принтеров разного размера и назначения.

Конкурент «Спецавиа» – иркутский концерн Apis Cor. Он отказался от идеи использовать портальную конструкцию и сделал упор на телескопические манипуляторы, которые свободно передвигаются на поворотной платформе. Установка очень мобильна и может перевозиться в обычном грузовике. Её уже активно используют для строительства домов на 3D принтере в России.

Самый известный производитель строительных машин – китайская компания WinSun. Хошневис обвинил китайцев в краже его технологии. Даже если это так, WinSun, в отличие от иранского ученого, уже принесло эту технологии в массы. Они заключили договоры по постройке жилья в разрушенных войной областях Ирака.

Познавательное видео: что можно сделать на 3D принтере

Строительная машина может создавать цельные объекты, такие как дома, или производить панели и другие стройматериалы. Наглядный пример как работает 3D принтер в этом видео:

Примеры 3D печати домов в фотографиях

Чтобы полнее представить себе процесс и результат, предлагаем вам посмотреть, как выглядят дома, напечатанные на 3D принтере в небольшой фотогалерее:

1 из 10

Где можно купить строительный 3D принтер и сколько он стоит

За строительной трехмерной печатью, без сомнений, будущее. Но пока эти технологии совершенствуются, и пройдет ещё лет 10, прежде чем подобные машины появятся во всех строительных организациях или станут доступны частным застройщикам. Строительный 3 D принтер можно купить в том же Екатеринбурге у «Спецавиа». Строительный 3D принтер, который печатает дом, имеет цену в 4.6 миллиона рублей. Согласитесь, для строительства одного частного дома дороговато. Но для небольшой строительной компании – вполне разумная цена.

Существует миф о том, что Дмитрий Иванович Менделеев увидел свою периодическую таблицу химических элементов во сне.
Чак Халл, человек, который изобрел 3D печать, тоже увидел свое будущее детище во сне. Конечно, такой принтер не является источником вечной молодости, но медики уже придумали принтеру универсальное применение на службе обществу. 3D принтеры помогают врачам распечатывать кости, зубы, опухоли, а порой и целые органы.

С момент изобретения этой технологии прошло более 30 лет. С каждым поколением принтеров менялись принципы затвердевания полимера, менялось качество печати. Первым объектом, который был напечатан самим Чаком Халлом, стала самая простая кружка, на ее создание было потрачено несколько месяцев. Сейчас красивые и оригинальные вещи модно напечатать буквально за несколько часов.

Собрав свой первый 3D принтер и основав компанию 3D Systems, Чак Халл не просто создал новый объект, а стал создателем целой абсолютно новой отрасли технологий – «аддитивные технологии». Суть аддитивности заключается в том, что объект не создается из монолитного куска путем отсечения лишних фрагментов, а создается «с нуля» путем добавления кусочков свежего исходного материала.

Так как вариантов применения таких принтеров огромное количество, то и внешне они могут вовсе не походить на своих «офисных» собратьев. С помощью 3D печати сейчас печатают абсолютно все: от домов до тортов.

Нынешний показатель объема мирового рынка этой группы товаров составляет $3 млрд, по прогнозам к 2020 году эта цифра должна будет вырасти в четыре(!) раза.

Несмотря на то, что эта технология еще не находится на пике своей популярности, мировой производитель авиадвигателей Rolls-Royce вовсю печатает лопасти турбин для двигателей, доверяя новейшим технологиям жизни людей и свое имя.

Чем же привлекает инженеров и конструкторов по всему миру новая технология? В первую очередь, высокой производительностью и простотой. Достаточно иметь 3D-модель и уже можно рассчитывать получить готовый экземпляр выходного продукта. Во-вторых, особо привлекательна для производителей низкая себестоимость продукта: не надо тратить лишние деньги на оплату человеко-часов, затраченных на производство, не надо переделывать полностью чертежи и изготавливать новую деталь, если что-то необходимо доработать в прототипе, не надо изготавливать сложные формы в несколько приемов, тратя на это огромное количество исходного материала.

Где взять деньги для начала собственного бизнеса? Именно с этой проблемой сталкивается 95% начинающих предпринимателей! В статье мы раскрыли самые актуальные способы получения стартового капитала для предпринимателя. Так же рекомендуем внимательно изучить результаты нашего эксперимента в биржевом заработке:

Кроме того, объемная печать является замечательным и логичным продолжением полностью компьютеризированного современного производства. Абсолютно все: от идеи до реализации, создается при помощи компьютера. Разработка эскиза, создание технической модели, обработка и проецирование готовой модели в компьютерной среде, создание специального файла для принтера… Вмешательство человеческого фактора на всех этапах производства сводиться к минимуму.
Кстати, Чак Халл придумал и один из форматов файлов, с помощью которого удается интерпретировать команды для 3Dпринтера.

Кроме того, новая технология позволяет не только создавать модель «с нуля», но и переводить уже существующий объект в электронную среду: здесь роль 3D принтера заменяется 3D-сканером.

Эта особенность позволяет быстро подгонять свойства предмета под потребности конкретного человека: кастомизация и персонализация при работе с клиентом на самом высшем уровне!

Конечно, у новой технологии есть и свои недостатки, но они скорее незначительны. Главным образом критики сконцентрированы на низкой скорости печати и высокой зернистости поверхности. Но не стоит забывать о том, что за последние 30 лет уже был совершен прорыв в скорости работы таких принтеров, а в дальнейшем эти показатели будут лишь улучшаться. Уже сейчас разработаны различные варианты принтеров, которые могут печатать одновременно несколькими головками, создавая многоцветные модели, или принтеры, которые используют технологию непрерывной печати – фотополимер застывает настолько быстро, что отпадает потребность в послойной работе головки.

О качестве обработки поверхности тоже можно размышлять долго – далеко не во всех отраслях требуется идеальная поверхность, для большинства компаний гораздо важнее получить быстро новую деталь, испытать ее, доработать и быстро получить реальный образец. А с этими задачами аддитивные технологии справляются замечательно.

Чак Халл вспоминает, что 30 лет от громоздких и неторопливых машин до портативных устройств будет пройден так быстро. Так что он уверен в том, что аддитивные технологии смогут развиваться и в дальнейшем.

Если сейчас основным материалом для печати является широкий спектр полимеров, то в ближайшем будущем это место сможет быть занято сплавами и композитными керамо-материалами.

На хабре уже были статьи о технологиях печати, которые используют 3D принтеры, однако в данной статье я постарался подойти к вопросу системно, чтобы в голове у читателя сложилась четкая картина о том, какие принципы заложены в технологии 3D печати, какие материалы используются и в конечном итоге какую технологию лучше использовать для получения определенного результата, будь то деталь из титана, или мастер-модель для последующего тиражирования.
Статья основана на книге Fabricated: The New World of 3D printing

I. Те которые что-то выдавливают или выливают или распыляют

1) FDM (fused deposition modeling) принтеры которые выдавливают какой-то материал слой за слоем через сопло-дозатор, не буду расписывать подробно, мы про них все знаем. Все мэйкерботоподобные принтеры + принтеры Stratasys + различные кулинарные принтеры (используют глазурь, сыр, тесто) + медицинские которые печатают “живыми чернилами” (когда какой-либо набор живых клеток помещается в специальный медицинский гель которые используется далее в биомедицине)

2) Технология Polyjet , была изобретена израильской компанией Objet в 2000 г. в 2012 их купили Stratasys. Суть технологии: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ излучения. Важная особенность, отличающая PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.
Преимущества технологии: а) толщина слоя до 16 микрон (клетка крови 10 микрон) б) быстро печатает, так как жидкость можно наносить очень быстро. Недостатки технологии: а) печатает только с использованием фотополимера - узко-специализированный, дорогой пластик, как правило, чувствительный к УФ и достаточно хрупкий.
Применение: промышленное прототипирование и медицина

3) LENS (LASER ENGINEERED NET SHAPING)
Материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера. Часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера мгновенно спекается и слой за слоем формирует трехмерную деталь. Именно по такой технологии печатают стальные и титановые объекты.
Поскольку до появления этой технологии печатать можно было только объекты из пластика, к 3D печати особенно серьезно никто не относился, а эта технология, открыла двери для 3D печати в “большую” промышленность. Порошки различных материалов можно смешивать и получать таким образом сплавы, на лету.
Применение: например, титановые лопатки для турбин с внутренними каналами охлаждения. Производитель оборудования: Optomec

4) LOM (laminated object manufacturing)
Тонкие ламинированные листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера и затем спекаются или склеиваются в трехмерный объект. Т.е. укладывается тонкий лист материала, который вырезается по контуру объекта, таким образом получается один слой, на него укладывается следующий лист и так далее. После этого все листы прессуются или спекаются.
Таким образом печатают 3D модели из бумаги, пластика или из алюминия. Для печати моделей из алюминия используется тонкая алюминиевая фольга, которая вырезается по контуру слой за слоем и затем спекается с помощью ультразвуковой вибрации.

II. Те которые что-то спекают или склеивают

1) SL (Stereolithography) Стереолитография.
Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того как один слой готов платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту далее запекается следующий слой и так далее. Иногда происходит наоборот: платформа с деталью поднимается вверх, лазер соответственно расположен снизу…
После печати таким методом, требуется постобработка объекта - удаление лишнего материала и поддержки, иногда поверхность шлифуют. В зависимости от необходимых свойств конечного объекта модель запекают в т.н. ультрафиолетовых духовках.
Фотополимер зачастую бывает токсичным поэтому при работе с ним нужно пользоваться средствами защиты и респираторами. Содержать и обслуживать такой принтер дома - сложно и дорого
Преимущества: быстро и точно, точность до 10 микрон. Для спекания фотополимера достаточно лазера от Blu-ray проигрывателя, благодаря чему на рынке появляются дешевые при этом точные принтеры работающие по такой технологии (e.g. Form1).

2) LS (laser sintering)
Лазерное спекание. Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером.
Преимущества: а) менее вероятно, что деталь сломается в процессе печати, так как сам порошок выступает надежной поддержкой б) материалы в порошковой форме довольно легко найти в продаже в том числе это могут быть: бронза, сталь, нейлон, титан
Недостатки: а) поверхность получается пористая б) некоторые порошки взрывоопасны, поэтому должны храниться в камерах, заполненных азотом в) спекание происходит при высоких температурах, поэтому готовые детали долго остывают, в зависимости от размера и толщины слоев, некоторые предметы могут остывать до одного дня.

3) 3DP (three dimensional printing)
Технология изобретена в 1980 году в MIT студентом Paul Williams, технология была продана в несколько коммерческих организаций, одна из которых - zCorp, в настоящее время поглощена 3D Systems.
На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так далее. На выходе, как правило, получается материал sandstone (похожий по свойствам на гипс)
Преимущества: а) так как используется клей, в него можно добавить краску и таким образом печатать цветные объекты б) технология относительна дешевая и энергоэффективная в) можно использовать в условиях дома или офиса в) можно печатать использовать порошок стекла, костный порошок, переработанную резину, бронзу и даже древесные опилки. Используя похожу технологию можно печатать съедобные объекты например из сахара или шоколадного порошка. Порошок склеивается специальным пищевым клеем, в клей может добавляться краситель и ароматизатор. Как пример, новые 3D принтеры от компании 3D systems, которые были продемонстрированы на CES 2014 - ChefJet и ChefJet Pro
Недостатки: а) на выходе получается достаточно грубая поверхность, с невысоким разрешение ~ 100 микрон б) материал нужно подвергать постобработке (запекать), чтобы придать ему необходимые свойства.

Надеюсь материал будет для вас полезен.
Дополнения принимаются.

Главная » Как заработать » Новая технология 3d печати. II. Те которые что-то спекают или склеивают. Бытовое и любительское применение