Тривимірний друк

Ми звикли до друку плоских зображень - у крайньому випадку, зображень, що наносяться на викривлену поверхню. А як щодо того, щоб створити «з нуля» об'ємний предмет?

У фантастичних оповіданнях ще з середини минулого століття зустрічаються описи пристроїв, здатних створити точну - до атома - копію будь-якого предмета. Казка, звичайно, брехня, але ... будемо пам'ятати, що дуже й дуже багато пристроїв і винаходи, коли-то описані у фантастичних романах, вже існують в дійсності - у тому чи іншому вигляді.

Схожа історія сталася і з 3D-принтерами - пристроями, здатними «друкувати» об'ємні предмети на основі тривимірної комп'ютерної моделі - причому досить складні, з внутрішніми порожнинами або із сполучених рухомих частин.

З рідкого - тверде

Одна з перших технологій «тривимірного друку», стереолітографія, з'явилася ще в 1986 році. Її принцип полягає в наступному. У робочій області принтера знаходиться контейнер з рідким фотополімером - речовиною, здатним тверднути під дією світла (з подібного матеріалу виготовляються стоматологічні пломби). Тверднучи, такий фотополімер перетворюється на досить міцний пластик. Для засвічення полімеру використовується точно позиціонується ультрафіолетовий лазер або лампа.

Створюваний об'єкт умовно ділиться на площині: промінь сканує таку площину і формує на ній окремі тверді «точки». Потім робочий стіл зі сформованої на ньому частиною моделі опускається (а рівень фотополімеру підвищується), промінь малює наступний шар. Існує і більш швидкісний варіант, коли засвічується відразу вся площина через спеціальний фотошаблон (Solid Ground Curing, SGC). Однак для цього перед печаткою необхідно виготовити серію плоских фотошаблонів - по одному для кожного шару.

Стереолітографія дозволяє отримувати «відбитки» з точністю до десятих часток міліметра і забезпечує гладку поверхню одержуваних виробів. Однак установки і рідкі фотополімерні матеріали досить дорогі - для порівняння згадайте хоча б, в скільки вам обійшлася остання пломба.

Лазерна пічка

В іншій технології, званої виборчим лазерним спіканням (Selective Laser Sintering, SLS), замість фотополімеру використовується порошок легкоплавкого пластику. Пластик нагрівається майже до температури плавлення (щоб він не загорівся і не став окислюватися, в робочу зону подається азот), а потім обробляється потужним лазером за тим же принципом, що і в стереолітографії. Коли шар оброблений, зверху насипається наступний шар порошку, і процедура повторюється. В кінці залишився порошок просто струшується з готової моделі.

Лазерне спікання теж забезпечує достатньо високу якість деталей, але обличчя у них виходить пористою. Зате вироби виходять дуже міцними, тому SLS-технологію навіть застосовують для малосерійного виробництва. До того ж лазерне спікання дозволяє виготовляти моделі з рухомими частинами - наприклад, з працюючими петльовими сполуками або натискається кнопка.

Нарешті, для SLS-процесу розроблені спеціальні матеріали, що дозволяють безпосередньо виготовляти металеві деталі: як порошку використовуються мікрочастинки сталі, покриті зверху шаром сполучної пластику. Пластик спікається, як зазвичай, а потім деталь обпалюється в печі. Пластик вигорає, а звільнені пори заповнюються бронзою. У результаті виходить об'єкт, що складається на 60% із сталі і на інші 40% з бронзи. По механічних характеристиками він перевершує алюміній і наближається до класичної нержавіючої сталі. Є й аналогічний матеріал з керамічної або скляної серцевиною. Правда, установка для SLS-друку вельми складна і дорога, а швидкість виробництва становить усього кілька сантиметрів (висоти) на годину, плюс ще кілька годин на нагрів і охолодження.

3D-ламінування

На відміну від попередніх двох технологій, в даному випадку робочим матеріалом служить не рідина і не порошок, а тонкі листи твердого матеріалу. Ці листи послідовно завантажуються в «принтер», де з них лазером вирізаються шари майбутньої моделі, які потім склеюються. Спочатку використовувалася спеціальна папір із шаром речовини, що клеїть, потім з'явилися пристрої, здатні нарізати і склеювати тонкий пластик, кераміку і навіть металеву фольгу.

Об'ємна струменевий друк

Не всякий 3D-принтер - лазерний. Серед пристроїв цього типу є і струменеві. Наприклад, одна з технологій струменевого об'ємної друку, пошарова заливка екструдіруемим розплавом (Fused Deposition Modeling, FDM), полягає в тому, що роздавальна головка видавлює на охолоджувану платформу-основу краплі розігрітого термопластика. Краплі швидко застигають і злипаються, формуючи шари майбутнього об'єкта.

Подібно лазерним технологіям, тут також існують варіанти з використанням фотополімерного пластику, а також порошкових матеріалів. В останньому випадку головка струменевого принтера пошарово набризкувати на порошок (звичайний гіпс або крохмаль) речовина, що клеїть. При цьому в клейову рідина можливе додавання пігментних барвників, що дозволяє друкувати не тільки об'ємні, а й кольорові моделі. В одному з варіантів цієї технології, Direct Metal Process, замість гіпсового порошку застосуються металевий, після чого «склеєне» виріб обпалюється в печі.

Застосування і перспективи

3D-друк вже широко використовується для створення моделей при розробці і серійному виробництві різних пристроїв. Дійсно, зручніше «надрукувати» модель складної форми на 3D-принтері, ніж виготовити її на звичайному верстаті (а частіше - на декількох). Такий процес отримав назву «швидкого прототипування» (rapid prototyping). У дрібносерійному виробництві такі «видрукувані» деталі, особливо металеві, часто використовуються як готові вузли і вироби.

Однак цим можливості 3D-друку не вичерпуються. Вже ведуться роботи по «друку» аж пристроїв з електронною начинкою - напівпровідникових пристроїв і з'єднують їх проводів. Є також ідеї застосування об'ємної друку в медицині - «печать» своєрідних заготовок біологічних органів, де роль чорнила грають згустки клітин заданого типу, а папери - спеціальний біо-гель, який фіксує положення клітинних згустків. У результаті виходить об'ємна конструкція з клітин, яка, теоретично, може імітувати будь-який орган (після виростання клітин гель розчиняється, так що можливе отримання порожнистих структур).