Як працює 3d-принтер?

Ще кілька десятиліть тому могла здатися фантастикою можливість надрукувати будинку за лічені хвилини практично будь-який текст, малюнок або фотографію, а зараз принтером вміє користуватися майже кожен. Крім друку зображень, сьогодні стало реальністю втілення об'ємних об'єктів за їх комп'ютерним моделям. Периферійні пристрої, що дозволяють це зробити, називаються 3d-принтерами. З їх допомогою можна створити деталі і предмети найрізноманітнішої форми, які використовуються в техніці, моделюванні просторових комплексів, побуті. Отже, які можливості об'ємної друку і як працює 3d-принтер?

• Принцип тривимірного друку
• Технології вирощування тривимірних об'єктів

• Екструзійна друк
• Порошкові способи друку
• Фотополімеризаційні друк
• Ламінування

Принцип тривимірного друку

Загальновідомо, як виходять об'ємні об'єкти методом лиття або механічної обробки заготовки, форма якої найбільш близька до кінцевого результату. Останній принцип, сформульований Мікеланджело як відсікання від каменя усього зайвого, використовується при створенні скульптур. Спосіб формування фігури в тривимірного друку називають адитивним (від англійського add - "додавати"), і він кардинально відрізняється від згаданих вище. Тут здійснюється пошарове формування об'єкта шляхом поступового нанесення порцій матеріалу, тобто створюване тіло вирощується крок за кроком до тих пір, поки не набуде необхідну конфігурацію. Схема, дуже спрощено пояснює принцип тривимірного друку, показана на картинці.

Шляхом позиціонування друкуючої головки в системі двох координат X і Y виконується нанесення матеріалу відповідно до заданої конфігурацією шару. При переміщенні робочої платформи на крок уздовж осі Z починається вирощування наступного рівня об'єкта.

Першим етапом підготовки до друку є створення комп'ютерної моделі майбутнього компонента. Це можна зробити двома способами: використовуючи тривимірний графічний редактор або CAD-системи (3D Studio Max, SolidWorks, AutoCAD та інші) або шляхом 3d-сканування об'єкта, який потрібно скопіювати. Потім за допомогою програмного забезпечення принтера відбувається розбивка моделі на шари і генерація набору команд, що визначають послідовність нанесення матеріалу при друку.

Обладнання, що реалізує адитивний метод створення тіл, за аналогією з двовимірними периферійними пристроями, характеризується дозволом по трьох осях в просторі. Ці параметри визначають висоту шару і точність позиціонування друкувального елемента. Іншою важливою технічною характеристикою 3d-принтера є область друку, від величини якої залежать максимально можливі розміри вирощуваного тіла.

В якості матеріалів для тривимірних об'єктів в аддитивном виробництві можуть використовуватися різні види пластиків, металеві сплави, мінеральні суміші, папір, фотополімери. Деякі 3d-принтери дозволяють працювати відразу з декількома матеріалами, відмінними за властивостями або кольором. Існує також метод отримання об'єктів, що характеризуються різноманітністю відтінків, шляхом підмішування в процесі друку барвника до прозорого полімеру.

Технології вирощування тривимірних об'єктів

Способів тривимірного друку дуже багато, основні відмінності їх один від одного полягають в принципах формування шарів і їх з'єднання між собою, а також використовуються в роботі матеріалах. Розглянемо основні технології адитивного виробництва.

Екструзійна друк

Цей метод також називають пошаровим наплавленням матеріалу, в якості якого використовується термопластик. Пристрої, що працюють відповідно з даною технологією, ще іменують FDM-принтерами, вони є найбільш поширеними в наші дні. Схема, що пояснює принцип екструзійної друку, представлена на картинці.

Основний вузол FDM-принтера - друкуюча головка-екструдер. Картридж для такого пристрою являє собою термопластичний полімер у вигляді нитки, намотаною на котушку. У екструдері шляхом обертання роликових елементів робочий матеріал подається в зону нагріву, де він розплавляється і видавлюється через сопло, формуючи елементарний фрагмент об'єкта. Після друку всього поточного контуру платформа переміщається вниз і починається нанесення нового шару.

Існують принтери, в яких можливе подавати до друкувальної головки два види нитки, що дозволяє вирощувати різнокольорові об'єкти або створювати так звані підтримки для друку. Останні потрібні для побудови ділянок об'єкта, що не контактують з нижчого рівня шарами або підставою. Якщо використовувати як матеріал для підтримок розчинні у воді речовини, їх можна легко прибрати, не піддаючи обробці основний матеріал. Вид об'єкту, надрукованого з розчинними опорами, до і після їх видалення показаний на фото.

Підтримки можуть виконуватися і з основного термопластика, тоді після отпечативанія моделі вони виламуються і поверхня доводиться до гладкого стану механічною обробкою. Приклад деталі, виготовленої таким способом, наведено на картинці.

Порошкові способи друку

Технології цієї групи об'єднує ідея створення цілісної структури з порошкових матеріалів. Одним з різновидів є струменевий друк, заснована на послойном нанесенні компонента, що має консистенцію пудри, окремі фрагменти якого потім просочуються клеїть складом. Матеріали тут можуть бути найрізноманітніші: папір, дерево, мінеральні суміші, метали, пластмаси. Єдина умова - можливість їх подрібнення до порошкоподібного стану.

Інші способи - лазерне спікання і сплавлення - дуже схожі і застосовуються переважно для вирощування металевих деталей. Останній дозволяє отримувати найбільш щільні і міцні об'єкти, структура яких не містить пір. Покроково процес лазерної порошкової 3d-друку показаний на ілюстрації.

Фотополімеризаційні друк

Дана назва об'єднує два способи створення тривимірних об'єктів з рідких речовин особливого класу - фотополімерів, що застигають при впливі на них ультрафіолетового випромінювання, - лазерну Стереолітографія і цифрову світлодіодну проекцію.

Схема друку об'ємного тіла за технологією лазерного стереолітографії показана на ілюстрації. Робоча область занурюється в рідку фотополімерну смолу на рівень одного шару. Лазерний промінь викреслює перетин майбутнього об'єкта відповідно до його тривимірною моделлю, опромінені області матеріалу тверднуть. Потім підстава опускається у ванну з рідкою смолою на величину наступного шару, і його побудова здійснюється аналогічно попередньому. Процес повторюється до вирощування цільного об'єкта. Після цього з виробу змиваються залишки матеріалу.

Другий різновид фотополімеризаційні друку реалізується за тим же принципом, тільки в якості джерела освітлення використовуються світлодіодні проектори.

Ламінування

Ця технологія полягає у виготовленні об'ємних об'єктів з аркушів паперу, пластикових плівок, фольги. Схема процесу друку представлена на картинці. Матеріал з нанесеним на нього клейким покриттям подається на робочу платформу або нижні шари деталі, при проходженні по ньому нагрітого ролика здійснюється зчеплення поверхонь. Потім контур шару вирізається проектуються лазерним променем, який також поділяє залишки листового матеріалу на дрібні фрагменти для полегшення їх видалення.

Застосування 3d-друку

3d-принтери використовуються для швидкого прототипування та виробництва штучних деталей, нових компонентів, макетів в промисловому виробництві, проектуванні предметно-просторових комплексів, архітектурі, автомобілебудуванні, індустрії моди, харчової промисловості, медицині і багатьох інших сферах.

Оскільки тривимірна друк дає практично невичерпні можливості для отримання об'ємних структур будь-якої складності, цей метод полюбився не тільки інженерам, але й дизайнерам, що створює з використанням 3d-принтерів одяг і взуття, ювелірні прикраси, дрібні предмети побуту, елементи меблів, іграшки.

Технології адитивного виробництва також використовуються при виготовленні медичних виробів, наприклад, на Стереолітографіческая принтерах друкують імплантати для стоматологічного протезування. Крім того, на 3d-принтерах отримують штучні фрагменти скелета, кісток, черепа і хрящів людини. Перспективний напрямок - використання в якості матеріалу різних типів клітин людського організму, завдяки чому з'являється можливість друку тканин і органів для трансплантації.

Сьогодні 3d-принтери не набули широкого застосування в побуті, оскільки ці пристрої ще досить дорогі, та й без виготовляються на них предметів цілком можна обійтися. Але хто знає, можливо, у відносно недалекому майбутньому надрукувати будинку розбиту чашку, зламану улюблену іграшку дитини, авторське колечко в подарунок дівчині або шоколадний десерт до свята стане таким же звичайною справою, як сьогодні випрати білизну або помити посуд, не замочивши рук.