 |
2.2 Трехмерная печать
|
|
|
|
Потребности мирового рынка в быстром обновлении моделей промышленной продукции обусловили создание принципиально новой технологии производства – трехмерной печати.
Трехмерная печать позволяет резко сократить как сроки подготовки производства, так и технологический цикл, исключает отходы, обеспечивает возможность создания широкого ряда целых изделий из различных материалов [1]. Не случайно трехмерную печать считают основой следующего технологического цикла нашей цивилизации.
Особенность технологии заключается в послойном создании (выращивании) изделий.
Основателем технологии трехмерной печати считают Чарльза Халла (США, 1984 г). История развития технологии представлена в таблице 4.
Таблица 4. Развитие технологии 3D-печати
| Год | Создатели, компании | Новые возможности и знания |
| Ч. Халл (США) [12], 3D Systems, Artisan Make | Технология «стереолитографии» (SLA) для печати 3D-объектов по данным цифровых моделей из фотополимеризующихся композитных материалов | |
| К. Декарт и Д. Биман (Университет Техаса), 3D Systems | Разработка и получение патента на метод селективного лазерного спекания (SLS) | |
| Solidscape [13] | Изготовление объемных деталей с помощью струйных принтеров. Понятие 3D-печати | |
| Objet Geometries, Stratasys | Создание моделей высокой точности путем послойного нанесения материала. Технология PolyJet, Objet Connex | |
| А. Боуэр (Великобритания), 3D Systems, Desktop Factory, Z Corporation | Создание самопроизводящих машин, использующих биоматериалы (Reprap) | |
| А. Боуэр (Великобритания), Wanhao, 3D Systems, MBot, JoysMaker | Создание всех настольных принтеров, использующие метод моделирования путем послойного наплавления (FDM) (Reprap 0. 2) | |
| Objet Geometries Ltd | Разработка принтера Connex500, способного печатать несколькими различными материалами сразу (3DP). | |
| Organovo | Создание технологии печати искусственных кровеносных сосудов. | |
| Ultimaker (Голландия), SeeMeCNC, 3D Systems | Увеличение скорости трехмерной печати до 350 мм в секунду |
|
|
|
В настоящее время технологии трехмерной печати разделяют на две группы – струйные (рисунок 19) и лазерные (рисунок 20)
При струйной технологии трехмерной печати конструкционный материал с катушки подается в картриджи с подогревом (3), нагревается и через подающие трубки (4) попадает в головку для печати (5), которая и будет создавать модель (7). Сама модель формируется на рабочей платформе (9) с подложкой (8). Рабочую платформу двигает поршень (10) по вертикальной оси. Так же, если имеется добавочный поддерживающий материал (2), то его следует использовать для создания поддержки модели (6).
При лазерной технологии трёхмерной печати рабочий порошок (1) засыпают в подвижное дно рабочей платформы (2) и в подвижное дно для подачи порошка (3). Затем включают лазер (4), он проходит через фокусирующие линзы (5) и попадает на подвижное зеркало (6). Зеркало перенаправляет луч лазера (7), который при попадании на порошок склеивает текущий слой модели (8). После происходит подготовка к следующему слою. Поршень (9) опускается, а поршень (10) поднимается, появился перепад высот. Затем разравниватель порошка (11) сдвигает слой со дна для подачи порошка на дно рабочей модели. Цикл повторяется до тех пор, пока не будет закончен последний слой модели.
Рисунок 19. Схема принтера для струйной технологии трехмерной печати. 1 - Конструкционный материал, 2- Поддерживающий материал, 3- Картриджи с подогревом, 4- Подающие трубки, 5- Головки печати, 6- Поддержка, 7- Модель, 8- Подложка, 9- Рабочая платформа, 10- Поршень.
Рисунок 20. Схема принтера для лазерной технологии трехмерной печати
1- Порошок, 2- Подвижное дно рабочей платформы, 3- Подвижное дно для подачи порошка, 4- Лазер, 5- Фокусирующие линзы, 6- Подвижное зеркало, 7- Луч лазера, 8- Модель, 9, 10- Поршень, 11- Разравниватель порошка, 12 – Подача порошка.
|
|
|
Формирование изделия при помощи струйной технологии осуществляется путём:
- отверждения термопластического материала, подаваемого из струйной головки на охлаждаемую рабочую платформу [14];
- отверждения фотополимерного термопластичного материала под действием ультрафиолетового излучения;
- склеивания порошкообразного материала жидким веществом, поступающим из струйной головки.
Формирование изделия при помощи лазерной технологии осуществляется путем:
- лазерной стереолитографии, основанной на отверждении жидкого полимера путем его интенсивного засвечивания ультрафиолетовым излучением;
- лазерного склеивания, заключающегося в послойном склеивании металлического или полимерного порошка;
- ламинирования, состоящего в создании модели с применением лазера из тонких слоев рабочего материала, последовательном накладывании их друг на друга и склеивании между собой.
С развитием технологии трехмерной печати применяемое в настоящее время ее деление на струйную и лазерную будет уточняться, поскольку в качестве признака классификации в данном случае использован вид оборудования. Представляется рациональным классифицировать технологии трехмерной печати по сущности процессов послойного наращивания, определяющих как наиболее важные свойства изделия, например, структуру материала, так и возможности технологии.
Принтеры помимо принципа действия и способа позиционирования, отличаются системами перемещения печатающей головки. В принтерах используют:
- три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых перемещается либо печатающая головка, либо рабочая платформа;
- три параллелограмма, основания которых согласованно перемещаются тремя двигателями, расположенными радиально-симметрично;
- автономное шасси;
- ручной привод печатающей головки, выполненной в виде ручки (карандаша), в этом случае пользователь визуально контролирует создаваемый объект и добавляет в нужные места быстротвердеющий материал.
|
|
|
Для реализации технологий 3D печати промышленностью выпускаются принтеры, которые разделяются по целевой группе пользователей на потребительские, персональные, профессиональные и производственные (рисунки 21-24).
Рисунок 21. Потребительские принтеры
Рисунок 22. Персональные принтеры
Рисунок 23. Профессиональные принтеры
Рисунок 24. Производственные принтеры
Потребительские 3D-принтеры, в первую очередь, ориентированы на художников, дизайнеров, архитекторов, которые предпочтительно работают дома (рисунок 21). [15]. Принтеры подобного класса позволяют получать несложные модели небольших размеров
Персональные 3D-принтеры рекомендуются для дизайн-студий, рекламных агентств, а также малого бизнеса (рисунок 22).
Профессиональные 3D-принтеры необходимы компаниям, деятельность которых подразумевает систематическое их использование (рисунок 23).
Производственные 3D-принтеры используются лишь для мелкосерийного или серийного производства (то есть тогда, когда необходима печать большого количества объектов) (рисунок 24). Для производства необходимо наличие обученного персонала, большое помещение, подводка к высоковольтной линии и газовой трубе.
Для изготовления изделий используют пластики ABS, PLA, PVA, фотополимеры, металлические порошки, нейлон, акрил, композитные материалы и др. [16].
Чаще других применяют ABS-пластик из-за его достаточно высоких прочностных свойств, стойкости к высоким температурам. Материал обладает блеском, степень которого можно регулировать.
PLA-пластик считают наиболее экологичным. Его получают из биологических отходов. Рекомендуют использовать для детских игрушек. Недостаток – низкая термостойкость. Термостойкость и прочность можно повысить добавлением ABS-пластика.
PVA-пластик по сути представляет клей PVA. Обладает быстрой растворимостью. Используют как вспомогательный материал.
В трехмерной печати широко применяют фотополимеры. Материал обладает высокими износостойкостью стойкостью к воздействию солнечного света и воды.
Используют порошки сплавов алюминия, меди, золота и др. Изделия обладают наиболее высокой прочностью. Недостаток – высокая цена.
|
|
|
Нейлон имеет схожие свойства с ABS-пластиком, обладает более высокой термостойкостью, не впитывает влагу и не токсичен. Недостаток – длительность высыхания, снижающая производительность печати.
Акрил позволяет печатать прозрачные объекты, но имеет в сравнении и ABS-пластиком высокую температуру плавления и очень быстро остывает.
Композитные материалы – известно использование композита, состоящего из порошка древесины и связующего материала. Цвет материала зависит от температуры печати. Возможна имитация годичных слоев древесины регулированием температуры печати.
Помимо отмеченных материалов используются и другие, ряд которых постоянно расширяется.
Разработки материалов с нанодобавками, материалов на основе графена и др. придадут изобилие и новые свойства. Так, при помощи нити на основе графена трехмерная печать может быть использована в производстве электроприборов.
Трехмерная печать значительно расширяет возможности дизайнеров, позволяя создавать модели, макеты, прототипы и изделия сложных форм (рисунок 25).
Рисунок 25. Дизайнерские идеи в исполнении 3D-принтера
|
|
|
