3D-printing: друк або скульптура?

Тривимірне моделювання давно стало невід'ємною частиною створення складних архітектурних і технологічних об'єктів. Після розробки слід обов'язкове втілення 3D-моделі у твердій копії, що раніше вимагало тривалого часу і праці декількох фахівців. На сьогоднішній день з'явилася практична можливість прискорити цей процес – за допомогою технологій швидкого прототипування (Rapid Prototyping).


Замість більш точного терміну Rapid Prototyping (RP) часто вважають за краще вживати поняття «тривимірна друк» (3D-printing, 3DP). По суті, це майже вірно, якщо дивитися на процес зі сторони – аналогія зі звичайним принтером з'являється відразу ж, особливо якщо врахувати зовнішню схожість пристроїв.


Основною перевагою тривимірного друку перед традиційними способами створення макетів є швидкість. Для порівняння: виготовлення моделі вручну або із застосуванням верстатів може зайняти кілька тижнів або навіть місяців, що призводить до підвищення витрат на розробку вироби й істотного збільшення термінів випуску нової продукції, тим більше якщо при проектуванні були допущені помилки.


Цих недоліків практично позбавлені системи швидкого прототипування, оскільки з їх допомогою готову модель можна отримати за декілька днів, годин або хвилин – залежно від її складності. Сучасні вимоги до термінів розробки і випуску готової продукції призвели до того, що багато хто з відомих брендів (наприклад, Adidas, Audi, BMW, Ford, Fisher-Price, Lufthansa, Sony, Volkswagen) вже взяли її на озброєння.


Базові технології


На сьогоднішній день існує досить багато технологій, що реалізують необхідну, ми ж обмежимося описом тих, які одержали саме широке поширення.


3D-printing


Тривимірна друк, мабуть, найбільш близька до звичайної, була розроблена і запатентована професором Елі Саксом в кінці 80-х років минулого сторіччя. У ході процесу барвне і сполучна речовини через струминні друкувальні головки розподіляються відповідно до заданої програми по попередньо нанесеному тонкого прошарку порошку і відразу застигають.








 
Пристрій для створення 3D-об'єктів вельми нагадує звичайний принтер професійного класу. На фото – перший в Україні Contex DESIGNmate Cx

Після завершення формування одного рівня та автоматичної перевірки його товщини починається робота над наступним. У залежності від типу клею та порошку властивості моделі будуть відрізнятися – її навіть можна зробити еластичною або застосовувати в якості форми для лиття.


Треба сказати, що створені за технологією 3DP об'єкти мають досить грубо текстуровану поверхню і меншу міцність, ніж виготовлені за допомогою RP-систем інших типів, проте ці недоліки усуваються за допомогою ручного фінішування – просочення клеєм, воском або іншими спеціальними речовинами. Зате часу на друк такої моделі йде у 5-10 разів менше, ніж при використанні інших технологій швидкого прототипування.


В даний час ліцензії, що дають право робити такі пристрої, мають шість компаній. Найбільша з них – ZCorporation – представлена на українському ринку під брендом датського виробника широкоформатних сканерів Contex. Модельний ряд складається з двох принтерів, монохромного – DESIGNmate Mx і повнокольорового – DESIGNmate Cx вартістю від 40 тис. дол

Тривимірна друк: області застосування


Найбільш перспективним для впровадження тривимірного друку вважається ринок геоінформаційних систем, де з її допомогою з мінімальними похибками створюються плани місцевостей, проекти будинків або ландшафтів. Наприклад, 3D-модель незамінна для аналізу та презентації містобудівних проектів, історикам вона надасть можливість відтворити вигляд стародавнього міста, а екологам – оцінити наслідки впливів на навколишнє середовище.


Властивість швидко синтезувати необхідну кількість навчальних моделей дозволяє вирішити багато проблем освітнього сектора. Крім того, RP вже досить широко використовується в медицині для створення макетів внутрішніх органів, протезів та імплантантів, в технологічних процесах – для одноразових ливарних форм. В автомобільній галузі тривимірні макети можуть застосовуватися не тільки для візуальної оцінки, але і для проведення деяких функціональних тестів (наприклад, продувки майбутнього автомобіля в аеродинамічній трубі). Окремої уваги заслуговують маркетингові аспекти RP – від підвищення якості роботи з клієнтами (завдяки демонстрації повнокольорових прототипів продукції) і до тривимірної реклами. До речі, якраз ця сфера і може стати «місцем зустрічі» двох-і тривимірної друку, де остання візьме на себе частину замовлень першою.


Мабуть, один з найбільш екзотичних варіантів застосування RP – це індивідуальна друк взуття. Про початок надання таких послуг, які розраховані поки на професійних спортсменів, оголосила лондонська Prior 2 Lever (P2L). Ідея полягає в тому, що форма ноги потенційного власника кросівок сканується лазером з метою побудови цифрової моделі, а потім замовнику слід надіти спеціальні сенсорні устілки і виконати ряд вправ. На основі отриманої інформації й «будується» взуття за допомогою пошарового лазерного спікання.


Не за горами і друк приладів разом з електронною начинкою – у всякому випадку вчені вже працюють у даному напрямку. Для цього принтер повинен стереолітографічна методом шар за шаром наносити провідні і полупроводящая полімери, формуючи потрібні схеми, поки з машини не вийде готовий геджет. А те, що він не підлягає ремонту, – служить лише підтвердження тенденції, яку вже встигли охрестити «наближенням одноразового суспільства ».


Стереолітографія (Stereolithography – STL)


У середині 80-х років Чарльз Халл (Charles Hull) угледів ідею своєї RP-системи у властивості фотополімерів тверднути під впливом ультрафіолетового випромінювання. STL-установка оснащена контейнером з рідким полімером, у який занурюється плоска поличка так, щоб вона ледь виглядала.


Під дією керованого комп'ютером випромінювання відбувається затвердіння шару завтовшки в декілька сотих міліметра, при цьому поличка опускається вниз і знову покривається рідиною. Далі все повторюється – В результаті ультрафіолетове проміння «малює» об'ємну фігуру.


Саме такий процес набув найбільшого поширення серед інших RP-систем. Мабуть, найістотніше його незручність – необхідність створення підтримуючих елементів, якщо площа верхнього поперечного перерізу деталі більше нижнього. Отримавши патент на стереолітографія, Халл заснував комерційну компанію 3D Systems, яка у 1987 р. представила громадськості перший STL-принтер. Частка продукції цієї компанії, пропонує ряд установок різного типу вартістю від 65 до 490 тис. дол, трохи менше половини всього ринку RP-систем.


Селективне лазерне спікання


(Selective Laser Sintering – SLS)


Метод SLS був винайдений Карлом Декартом (Carl Deckard) у 1986 р. і використовується такими компаніями, як, наприклад, DTM Corporation і EOS. Суть технології полягає в пошаровому спіканні лазерним випромінюванням порошкового матеріалу. У робочій камері він попередньо підігрівається, трохи не доходячи до температури плавлення. Після розрівнювання порошку по поверхні зони обробки CO2-лазером спікається потрібний контур, далі насипається новий шар, розрівнюється, і процес повторюється. Готова модель витягується з камери, а надлишки порошку видаляються.


Використання широкого спектру недорогих і нетоксичних матеріалів (порошкові полімери, ливарний віск, нейлон, кераміка, металеві порошки), низькі деформації та напруги, можливість одночасно робити відразу кілька моделей в одній камері – все це забезпечує SLS досить високі рейтинги на ринку систем швидкого прототипування. Однак при цьому отримані вироби мають шорстку і пористу структуру, а при зміні матеріалу потрібно чистка всієї камери. Вартість установок – близько 400 тис. дол


Пошарова заливка екструдіруемим розплавом (Fused Deposition Modeling – FDM)


Ідея створення процесу належить Скотту Крамп (Scott Crump), який незабаром після цього винаходу, в кінці 80-х, разом зі своєю дружиною заснував компанію Stratasys. Основною частиною принтера, що з'явився на ринку в 1991 р., є екструдують голівка. У ній матеріал (ливарний віск або пластик, що надходять на котушках) нагрівається до температури плавлення і подається в зону друку. Головка переміщується по двох координатах, синтезуючи певний шар моделі. Потім платформа опускається, створюється новий шар і т. д. Як плюсів FDM можна відзначити: легкість перебудови з одного нетоксичного матеріалу на іншій, низькі витрати і досить високу продуктивність, малі температури переробки, а також мінімальне втручання оператора у функціонування обладнання.


У той же час дана технологія не позбавлена і недоліків: між шарами утворюються шви; головка екструдера повинна постійно рухатися, інакше матеріал застигне і засмітити її, можливо розшарування у разі температурних коливань протягом циклу обробки. Орієнтовна вартість FDM-принтера 50-220 тис. дол


Пошарове формування об'ємних моделей з листового матеріалу (Layer Object Manufacturing – LOM)








 
Для виготовлення подібної ландшафтної моделі вручну потрібна була б не один тиждень копіткої праці. За допомогою технологій швидкого прототипування ця процедура займає лічені години

LOM-технологія була винайдена Михайлом Фейгеном (Michael Feygin) в 1985 р., а сьогодні на її основі виробляють промислові установки такі фірми, як Helisys, Paradigm і Sparx AB. Листовий матеріал (папір, пластик, кераміка, композити або поліестер) розкроюється по заданому контуру за допомогою CO2-лазера (можна одночасно розкроювати більше одного аркуша, проте точність при цьому зменшується), а потім нагрівається валик здійснює склеювання шарів. При помилку в процесі синтезу об'ємного вироби частину шарів можна видалити. LOM-установки, орієнтовна вартість яких коливається в межах 90-250 тис. дол, дозволяють застосовувати широкий діапазон недорогих листових матеріалів і синтезувати моделі з мінімальними деформаціями завдяки відсутності фізико-хімічних перетворень.


Однак через те, що лазер не завжди повністю прорізає лист, ускладнюється видалення відходів і навіть не виключено пошкодження деталей, а властивості матеріалу можуть змінюватися. Шорстку поверхню виробу важко обробляти через можливість розшарування, а в приміщенні необхідна вентиляція.


Пошарове ущільнення (Solid Ground Curing – SGC)








 
Незважаючи на «іграшкового», така модель чудово ілюструє можливості сучасних 3DP-систем

Процес був розроблений ізраїльською фірмою Cubital в 1987 р. і за своєю суттю подібний до фотокопії. За допомогою спеціального тонера на вибірково зарядженої скляній пластині створюється фотомаски (шаблон) підстави моделі. Ця фотомаски розміщується над тонким шаром фотополімеру, розподіленим по поверхні робочого столу, після чого експонується ультрафіолетовою лампою. У результаті шар фотополімеру, який відповідає використовуваному в даний момент шаблоном, твердне; рідкі залишки видаляються, а порожнини заповнюються розплавленим воском, і він швидко застигає.


Потім процес повторюється: створюється фотошаблон для наступного перетину, по робочому столу розподіляється новий шар фотополімеру і т. д. SGC-технологія має ряд незаперечних переваг: моделі синтезуються без підпірок і не вимагають подальшої обробки; процес можна призупинити, щоб видалити дефектні шари, і пізніше відновити його.


Цікаві перспективи відкриває також можливість створювати об'єкти з рухомими складовими частинами. Варто відзначити, що ця установка дуже важка, галаслива і вимагає постійної присутності оператора. Ряд проблем пов'язаний з полімерами: їх вибір обмежений, вони дорогі, токсичні, а при перегріві повторне використання цих матеріалів стає неможливим. На ринку представлені два пристрої такого типу: Solider 4600 і 5600, їх вартість – відповідно 275 і 470 тис. дол


Трохи висновків


Професійні системи швидкого прототипування є громіздкими і дорогими установками, які поки не мають побутового застосування, хоча й у пересічного користувача для тривимірного принтера знайшлося б чимало роботи. Втім, перший лазерний принтер теж коштував кілька сот тисяч доларів.


Поки що найбільш доступні принтери твердотільних об'єктів (3D-printer), що будують фізичні моделі з недорогого матеріалу з допомогою однієї або декількох струменевих головок подібно до звичайного принтера. Звичайно, вони не забезпечують високої точності і міцності готового прототипу, але їх механічних властивостей цілком достатньо для візуалізації. Зате вартість об'єкта, виготовленого на такому 3D-принтері, всього $ 5-10 дол


Для розміщення пристрою не потрібно ні спеціальних пристосувань, ні приміщень: як і звичайний принтер, вони можуть встановлюватися безпосередньо в офісі, у робочого місця 3D-художника або конструктора. Крім того, 3D-принтери не використовують шкідливих матеріалів і процесів.


Швидке виготовлення прототипів вже стало найважливішою частиною процесу проектування. Розширення використання комп'ютерного твердотільного моделювання забезпечує швидке поширення описаних технологій і зниження їх ринкових цін, підвищуються якість матеріалів і точність виготовлення моделей. Все це говорить про те, що технології і системи 3D-друку будуть займати все більше місце в нашому житті, і в недалекому майбутньому RP-системи стануть доступні будь-якому користувачеві і перетворяться на звичний інструмент художника і конструктора.

Схожі статті:


Сподобалася стаття? Ви можете залишити відгук або підписатися на RSS , щоб автоматично отримувати інформацію про нові статтях.

Коментарів поки що немає.

Ваш отзыв

Поділ на параграфи відбувається автоматично, адреса електронної пошти ніколи не буде опублікований, допустимий HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

*