Архивы: по дате | по разделам | по авторам

3D в натуре

АрхивПринтеры
автор: Юрий Ревич   06.03.2009

Нечастые сообщения в СМИ о новых технологиях изготовления трехмерных моделей в пластике или металле, своей тональностью обычно лишь свидетельствуют о непонимании журналистским сообществом всей глубины революционных преобразований в этой области.

Невозможно назвать ни одну область человеческой деятельности, которую бы не затронул технический прогресс с его ошеломляющими темпами. Причем о революционных преобразованиях, касающихся повседневного быта миллионов людей, мы узнаем фактически в реальном времени - о существовании электронной почты, мобильной связи или цифровой фотографии осведомлен любой человек, даже ни разу в жизни не державший в руках "Компьютерру". Но есть такие сферы деятельности, где изменения гораздо меньше заметны широкой публике, однако их значимость от этого ничуть не меньше. К таким сферам, безусловно, относится 3D-печать.

Нечастые сообщения в СМИ о новых технологиях изготовления трехмерных моделей "вживую", в пластике или металле, своей тональностью обычно лишь свидетельствуют о непонимании журналистским сообществом всей глубины революционных преобразований в этой области. То, что технологии 3D-печати уже перестали быть просто игрушкой для дизайнеров и художников, доказала фирма Lockheed Martin, продемонстрировавшая на аэрошоу в Англии в 2006 году беспилотник-невидимку P175 Polecat. Львиная доля элементов конструкции этого сверхзвукового аппарата с размахом крыльев 27 метров была изготовлена на 3D-принтерах. Впрочем, большинство современных технологий 3D-печати уходят корнями в конец 1980-х годов.

Лазерные: SLA и другие

Первой использовавшейся на практике технологией для автоматического изготовления физических моделей из пластика по компьютерным "чертежам" была стереолитография (SLA), придуманная американским инженером Чарльзом Халлом еще в 1986 году. Халл основал компанию 3D Systems, которая и поныне является одним из главных производителей 3D-принтеров.

Принцип стереолитографии заключается в использовании фотополимера в жидком состоянии, поверхность которого отверждается лучом УФ-лазера в соответствии с рисунком текущего слоя (здесь обычно добавляют, что подобные фотоотверждаемые полимеры издавна применяются дантистами для пломбирования зубов). Рисунок получается послойной "нарезкой" исходной компьютерной 3D-модели с помощью специального софта. После формирования текущего слоя стол с моделью опускается на толщину слоя, а поверхность с помощью специального выравнивателя опять заливается жидким полимером, из которого формируется следующий слой. Готовый образец промывается, дабы удалить остатки полимера, и некоторое время выдерживается под УФ-лампой для окончательного затвердевания.

На SLA-принтерах можно печатать довольно крупные изделия (до 75 сантиметров по максимальному габариту). Такой принтер даже с не очень большим рабочим объёмом (например, 250х250х250мм) представляет собой внушительное устройство величиной со шкаф и весом полтонны. Современные SLA-принтеры имеют самую высокую точность среди своих собратьев (так, аппараты от 3D Systems позволяют выдержать толщину слоя в одну-две тысячные дюйма - 0,025–0,05 мм), в них получаются гладкие и прочные модели с отличной проработкой мелких деталей. Недостатки их - крайняя медлительность (скорость роста образца - несколько миллиметров в час по высоте заготовки), ограниченный ассортимент исходных материалов и дороговизна. Цена таких принтеров обычно не указывается (ибо продаются они поштучно), но, порывшись в Сети, можно узнать, что для модели Viper SLA (не самой дешёвой, правда) она начинается от 150 тысяч евро. Видимо, по этой причине SLA-продукты 3D Systems в нашей стране не очень популярны.

Модель видеокамеры из порошка сразу после "печати" на устройстве Zprinter 650 (z corporation)

Версия SLA-технологии под названием SGC (Solid Ground Curing) работает гораздо быстрее, но и с несколько меньшим разрешением. В первоначальном варианте, разработанном израильской фирмой Cubital еще в 1987 году, процесс напоминал ксерокопирование: на специальном стекле с помощью тонера формируется маска текущего слоя, через которую фотополимер засвечивается уже не лазером, а УФ-лампой сразу по всей поверхности. В современной модификации вместо маски используют DLP-матрицу, как в проекторах изображений. Такой SGC-аппарат (например, Perfactory от немецкой фирмы EnvisionTEC) может иметь скорость печати до 20 мм/час и разрешение по высоте (минимальную толщину слоя) 0,1 мм. Стоит Perfactory (за рубежом) около 55 тысяч евро.

Недостатка, заключающегося в специфичности и дороговизне исходного материала, лишены лазерные 3D-принтеры, использующие технологию спекания (Selective Laser Sintering, SLS). Метод был запатентован в 1989 году выпускником Техасского университета Карлом Декардом. SLS-принтер устроен гораздо проще, чем SLA: луч лазера плавит предварительно подогретый почти до температуры плавления порошок, формируя рисунок слоя. После его застывания насыпается очередная порция порошка, и формируется следующий слой. Очевидное преимущество такого подхода - возможность использования почти любого термопластичного материала, от полимеров до воска. Кроме того, модели, изготовленные по такой технологии, считаются самыми прочными. Разрешение SLS меньше, чем у SLA, а скорость работы выше (например, для принтеров EOSINT немецкой фирмы EOS толщина слоя - 0,1–0,15 мм, скорость формирования слоев - до 35 мм/час). Недостатки - поверхность изделий получается шероховатой, и требуется относительно большое время подготовки к работе, то есть для нагрева исходного полимера и стабилизации температуры.

Зато SLS-принтеры обладают одним очень полезным свойством: они позволяют "печатать" металлические изделия. Делается это при помощи специального порошка, представляющего собой стальные частицы, покрытые полимером. Модель, изготовленная на принтере из порошка, помещается в печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой, в результате получается очень прочное композитное изделие. Есть также порошки на основе стекла или керамики, из них получают термостойкие и химически стойкие детали.

Традиционно в обзорах 3D-принтеров упоминается LOM-технология (Laminated Object Manufacturing), изобретенная Михаилом Фейгеном еще в 1985 году. Здесь лучом лазера раскраивают листовой материал, в качестве которого может выступать что угодно (бумага, ламинат, металлическая фольга и даже керамика), а затем нагреваемые валки склеивают полученные слои друг с другом. Недостатки метода понятны: грубая поверхность изделий, возможность расслоения и ошибок при не полностью прорезанном листе. Зато можно без проблем удалить испорченные слои и сделать их заново. Судя по результатам в поисковых системах (точнее, по их отсутствию), подобные принтеры уже не в моде, тем не менее на сайте фирмы Landfoam можно увидеть восхитительные образчики ландшафтов и архитектурных объектов, изготавливающихся по заказам с помощью подобной технологии.

К сожалению, повторимся, лазерные 3D-принтеры любого типа очень дороги: так, цена SLS-устройств фирмы EOS, которые даже трудно назвать принтерами из-за их размеров, вполне может достигать миллиона долларов. А вот цены другой разновидности 3D-принтеров - струйных- становятся все демократичнее.

Струйные

Самый очевидный струйный способ 3D-печати: выдавливание жидкого полимера на поверхность заготовки. Таким образом работает технология FDM (Fused Deposition Modeling), идея которой принадлежит Скотту Крампу, основателю компании Stratasys. Первый принтер по технологии FDM был выпущен в 1991 году. Сейчас Stratasys выпускает несколько разновидностей FDM-принтеров, из которых наиболее известна у нас серия Dimension (по названию одноименного подразделения компании). Машины Dimension - одни из самых дешевых среди 3D-принтеров, цена моделей начального уровня опускается ниже $20 тысяч, а в январе Dimension анонсировала "персональный" 3D-принтер uPrint дешевле $15 тысяч. Впрочем, более "продвинутые" FDM-устройства (вроде FDM Titan) могут стоить и вдесятеро больше. Что же нам предлагают за эти деньги?

FDM-принтеры используют нить термопластичного пластика (в дешевых Dimension применяется менее прочный и стойкий полистирол АВС, в более дорогих - поликарбонат РС), которая расплавляется и через фильеру укладывается печатающей головкой на поверхность образца. Так как тонкие нависающие элементы могут деформироваться в процессе печати, в головке предусмотрена вторая фильера, при необходимости автоматически формирующая элементы поддержки. Из готового изделия эти элементы вымываются водным раствором в ультразвуковой ванне. Изделия получаются гладкими и прочными, однако точность изготовления невелика: лучшие FDM-модели имеют толщину слоя 0,127 мм, рядовые - 0,178 мм и более. Кроме того, процесс довольно медленный.

В принципе FDM-принтеры позволяют получать многоцветные образцы (стандартно доступно до семи цветов пластика, или любой другой цвет по специальному заказу), но для этого нужно менять картридж с нитью по ходу работы. Заметное достоинство принтеров от Stratasys- способность работать по принципу plug&play, все операции предельно автоматизированы. Говорят, NASA рассматривает технологию FDM в качестве кандидата на "космическую фабрику".

Другой способ струйной печати под названием Polyjet разработан израильской фирмой Objet Geometries, чьи устройства с красивым названием Eden ("Эдем") хорошо известны, в том числе и в нашей стране. Polyjet является родственником лазерной технологии SLA, только вместо ванны с жидким фотополимером используется струйная головка, выдавливающая его на поверхность детали. Затем, как в технологии SGC, полимер отверждается под ультрафиолетовой лампой. Цена "Эдемов" довольно велика - $60–100 тысяч для начальных "офисных" моделей, что, впрочем, в несколько раз ниже, чем у SLA-аналогов. Скорость работы - около 20 мм/час, толщина слоя - от 0,16 мм.

На том же принципе основана технология Multi-Jet Modeling от знакомой нам 3D Systems. Год назад на выставке SolidWorks World 2008 эта фирма продемонстрировала 3D-принтер под названием ProJet HD 3000 3-D Production System и пообещала в течение ближайшей пятилетки опустить его цену ниже 2000 долларов, во что верится с большим трудом: пока за рубежом его предлагают за $68–70 тысяч. Новость быстро разнеслась не в последнюю очередь благодаря удачному маркетинговому ходу: мол, ProJet относится к устройствам "высокой четкости" (на что указывают буковки HD), хотя многие другие 3D-принтеры ничуть не менее "высокочеткие".

О высокой четкости и маркетинговых ухищрениях

Точность работы ProJet HD 3000 3D Production System, судя по спецификациям, довольно высока: 0,001–0,002 дюйма, что характерно для продукции 3D Systems. А вот под "высокой четкостью", видимо, подразумевается, что кроме стандартного режима (разрешение 328х328х606dpi, то есть 0,08 мм по горизонтали и 0,05 мм по вертикали) есть специальный режим "ультравысокой четкости". В нем высота образца не превышает двух дюймов, зато на эту величину приходится 1600 точек (800 dpi). Тем не менее большинство 3D-принтеров имеют сходные и даже более высокие характеристики: например, разрешение отнюдь не hi-end-устройства Eden 250 от Objet, работающего по той же самой технологии, составляет 300х600 dpi в горизонтальной плоскости и 1600 dpi в вертикальной (что совпадает с упомянутыми в тексте 0,16 мм толщины слоя). Причем это действительно для любого размера образца, вплоть до максимальных 200 мм по высоте. Разница в цене девайсов минимальна, Eden 250 даже чуть дешевле, да и габаритами поменьше, при почти такой же максимальной величине образца. Так что термин "высокая четкость" в данном случае следует считать просто удачной рекламной находкой. Конечно, если 3D Systems и правда удастся снизить цену, пусть не до двух, но хотя бы до пяти тысяч долларов, то цены ему, извините за каламбур, не будет.

Видимо, по той же технологии должен работать принтер от Desktop Factory с ценой якобы ниже $5000. Пару лет назад СМИ заполонили сообщения о начале предварительного приема заказов на этот принтер, однако, судя по официальному сайту фирмы, она и до сих пор продолжает их принимать. Так что о дешёвых домашних устройствах 3D-печати, несмотря на широковещательные заявления, пока остается лишь мечтать, но, с другой стороны, давно ли мы убивались по поводу дороговизны цветной лазерной печати?

Наконец, ещё один популярный способ струйной 3D-печати под простым названием 3DP (Three-Dimensional Printing) был разработан в Массачусетском технологическом институте, и в настоящее время на этой ниве трудится в основном фирма Z Corporation. Способ состоит в склеивании порошка твердого материала (гипса, целлюлозы, керамики, крахмала) компаундом, выдавливаемым из печатающей головки. Уникальность способа в том, что это единственный из методов 3D-печати, позволяющий получать модели с 24-битным цветом. В цветных 3D-принтерах от Z Corporation (например, Spectrum Z5101), как во всяком приличном струйнике, имеются четыре печатающие головки с компаундом основных CMYK-цветов. Разрешение обычное для подобных методов (толщина слоя 0,1 мм), скорость работы одна из самых высоких - 25–50 мм/час по высоте модели. Недостаток 3DP очевиден: модели получаются не слишком прочными и с зернистой поверхностью. Правда, их можно упрочнить закрепляющим составом или пропитать специальным резиноподобным полимером, получив гибкие модели, а с применением особого порошка можно делать готовые к применению литьевые формы (технология Zcast), что недоступно технологиям, использующим пластик. Причем принтеры Z Corporation дешевле других2 и в целом довольно популярны, в том числе и у нас.

Вообще, разновидностей технологий 3D-печати еще довольно много, но в основном они представляют собой ту или иную модификацию перечисленных. Так почему я с самого начала заговорил о революции?

Кому и зачем?

О главном назначении всех технологий 3D-печати недвусмысленно говорит их часто употребляемое общее название - rapid prototyping (RP), быстрое изготовление прототипов. Сегодня без 3D-принтеров не могут обойтись медицинское моделирование (протезирование, моделирование органов и пр.), обувная промышленность, мелкосерийное литейное производство, картография, геодезия, ландшафтный и архитектурный дизайн и многие другие отрасли. В машиностроении, автомобильной или авиационной промышленности проведение конструкторских работ без технологий быстрого прототипирования уже и не мыслится. Любопытно, что при подготовке этой статьи я сплошь и рядом натыкался на сайты, посвященные ювелирному делу: оказывается, представители этой старинной профессии чуть ли не первыми взяли RP-технологии на вооружение. Не страдают RP-технологии от недостатка внимания и со стороны художников-скульпторов.

Из-за дороговизны 3D-принтеры нередко сдают в лизинг, или фирмы просто предлагают изготовить модели по вашим оригиналам. Стоит последняя услуга в России в среднем около доллара за кубический сантиметр готовой модели для технологий типа 3DP, но, конечно, цена сильно зависит и от объёма заказа, и от материала, и от технологии. Специалисты уже мечтают о Distance Manufacturing on Demand (DMD, "дистанционное производство по требованию"): составил 3D-модель, отправил по Интернету - получил готовый заказ по почте. Эдакое производство на диване. Несомненно, так и будет, когда 3D-печать подешевеет до приемлемого уровня, и вряд ли этого придется ждать дольше, чем в других областях.

1. У нас принтеры этой фирмы можно встретить под маркой Contex. [наверх]

2. От $15 тысяч за монохромную модель и от $40 тысяч за цветную, в России в полтора-два раза дороже. [наверх]

Поделиться
Поделиться
Tweet
Google
 
© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2018
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.