Струменеві 3D-принтери

Зміст

1. Принципи роботи і області застосування 3D-принтерів.
2 Лазерні технології 3D-друку. Струменеві 3D-принтери.
3. Технологія 3DP (three dimensional printing) друку

Принципи роботи та області застосування 3D-принтерів

3D принтер - пристрій, який застосовують при створенні фізичного об'єкта на основі віртуальної 3D моделі.

Це ідеальне рішення створення моделей дизайну, архітектурних концептів, а також виробів, необхідних в галузі освіти, мистецтва, медицини та картографії і т.д. Система 3D створює об'ємні фізичні прототипи шляхом затвердіння шарів розсипчастого порошку за допомогою рідкого сполучного речовини. Система 3D надзвичайно універсальна і швидка, дозволяє отримувати прототипи складної геометрії в безлічі областей застосування, а також з різних матеріалів які використовуються провідними виробниками. 3D принтери розроблені з використанням системи 3D, що працюють з неймовірною швидкістю, з дуже низькою собівартістю.

Програмне забезпечення, що керує 3D принтерами, приймає всі основні формати файлів, що містять 3D геометрію, включая.stl, .wrl, .ply, and.sfx файли, вони можуть експортувати всі основні пакети 3D моделювання.

На додаток до основних застосувань в архітектурному дизайні та машинобудуванні, 3D друк займає нові місця, в їх числі: медичне, молекулярне і просторове моделювання. Додатковими джерелами даних є: діагностичні дані з CT / MRT апаратів, база даних моделювання молекул протеїну і оцифровані поверхні з 3D сканерів.

Так як конструювання та моделювання з використанням 3D технологій стало широко поширеним, було розроблено безліч спеціалізованих програмних засобів.

Після експортування файлу твердого тіла з програми 3D моделювання, користувач відкриває його в програмі ZPrint ™, яка обслуговує 3D принтер. Основною функцією програми ZPrint є розсічення твердого об'єкта на безліч перетинів (шарів), створюючи 2D зображення кожного шару завтовшки близько 0,1 мм в площині, перпендикулярній осі Z. Крім розрізання моделей на шари, користувач програми ZPrint використовує додатковий функціонал, наприклад, змінює вид, масштабує, обертає, фарбує, наносить мітки, розмножує моделі. Коли користувач вирішує надрукувати підготовлені об'єкти, програма ZPrint починає посилати 2D-зображення перетинів на 3D принтер за стандартною мережі. Підготовка займає близько 10 хвилин.

Робочі матеріали 3D принтерів можуть бути різними, наприклад, порошок на основі гіпсу, целюлози або гіпсо-кераміки, в залежності від необхідних фізичних параметрів. Якщо необхідна додаткова міцність, надрукований прототип можна просочити спеціальним суперклеєм або епоксидними смолами.

Високоякісний композитний матеріал використовують при створенні міцних кольорових деталей з високою роздільною здатністю. Цей найбільш широко використовуваний матеріал укупі з технологією HD3DP дозволяє створювати прототипи з роздільною здатністю 600 dpi. Висока деталізація дрібних елементів і відмінна міцність роблять матеріал придатним в широкому колі застосувань: від створення концептуальних прототипів до майстер-моделей під лиття. Він складається з спеціально розробленого гіпсу з безліччю добавок, що поліпшують якість поверхні виробів, їх деталізацію і міцність. Він ідеально підходить для деталей з вимогами високої міцності, делікатних тонкостінних прототипів, кольоровий 3D друку, точного відтворення конструкції виробів.

3D-друк може здійснюватися різними способами і з використанням різних матеріалів, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового створення (вирощування) твердого об'єкта.

Застосовуються дві принципові технології:

Лазерна:

Лазерний друк - ультрафіолетовий лазер поступово, піксель за пікселем, засвічує рідкий фотополімер, або фотополімер засвічується ультрафіолетовою лампою через фотошаблон, мінливий з новим шаром. При цьому він твердне і перетворюється на досить міцний пластик.

Лазерне спікання - при цьому лазер випалює в порошку з легкосплавного пластика, шар за шаром, контур майбутньої деталі. Після цього зайвий порошок струшується з готової деталі.

Ламінування - деталь створюється з великої кількості шарів робочого матеріалу, які поступово накладаються один на одного і склеюються, при цьому лазер вирізає в кожному контур перетину майбутньої деталі.

Струменевий:

Застигання матеріалу при охолодженні - роздавальна головка видавлює на охолоджувану платформу-основу краплі розігрітого термопластика. Краплі швидко застигають і злипаються один з одним, формуючи шари майбутнього об'єкта.

Полімеризація фотополімерного пластика під дією ультрафіолетової лампи - спосіб схожий на попередній, але пластик твердне під дією ультрафіолету.

Склеювання або спікання порошкоподібного матеріалу - те ж саме що і лазерне спікання, тільки порошок склеюється клею, що надходять із спеціальної струменевого головки. При цьому можна відтворити забарвлення деталі, використовуючи сполучні речовини різних кольорів.

Застосування 3D-технології:

• Для швидкого прототипування, тобто швидкого виготовлення прототипів моделей і об'єктів для подальшої доведення. Вже на етапі проектування можна кардинальним чином змінити конструкцію вузла або об'єкта в цілому. В інженерії такий підхід здатний істотно знизити витрати у виробництві та освоєнні нової продукції.

• Для швидкого виробництва - виготовлення готових деталей з матеріалів, підтримуваних 3D-принтерами. Це відмінне рішення для малосерійного виробництва.

• Виготовлення моделей і форм для ливарного виробництва.

• Конструкція з прозорого матеріалу дозволяє побачити роботу механізму «зсередини», що зокрема було використано інженерами Porsche при вивченні струму масла в трансмісії автомобіля ще при розробці.

• Виробництво різних дрібниць в домашніх умовах.

• Виробництво складних, масивних, міцних і головне недорогих систем. Наприклад безпілотний літак Polecat компанії Lockheed, велика частина деталей якого була виготовлена методом швидкісної тривимірної печатки.

• Перспективність даної технології не може викликати сумнівів. Приміром розробки Університету Міссурі, що дозволяють наносити на спеціальний біогель згустки клітин заданого типу. Розвиток даної технології - вирощування повноцінних органів.

• У медицині при зубному протезуванні.

2. Лазерні технології 3D-друку

принтер об'ємний струменевий лазерний

Першою що використовувалася на практиці технологією для автоматичного виготовлення фізичних моделей з пластика з комп'ютерних "кресленнями" була стереолітографія (SLA), придумана американським інженером Чарльзом Халлом ще в 1986 році. Халл заснував компанію 3D Systems, яка і понині є одним з головних виробників 3D-принтерів.

Принцип стереолітографії полягає у використанні фотополімера в рідкому стані, поверхня якого отверждается променем УФ-лазера відповідно до малюнком поточного шару (подібні фотоотверждаемие полімери здавна застосовуються дантистами для пломбування зубів). Малюнок виходить пошаровим "нарізкою" вихідної комп'ютерної 3D-моделі за допомогою спеціального софту. Після формування поточного шару стіл з моделлю опускається на товщину шару, а поверхню за допомогою спеціального вирівнювача знову заливається рідким полімером, з якого формується наступний шар. Готовий зразок промивається, щоб видалити залишки полімеру, і якийсь час витримується під УФ-лампою для остаточного затвердіння.

На SLA-принтерах можна друкувати досить великі вироби (до 75 сантиметрів по максимальному габариту). Такий принтер навіть з не дуже великим робочим об'ємом (наприклад, 250х250х250мм) являє собою значне пристрій величиною з шафу і вагою півтонни. Сучасні SLA-принтери мають найвищу точність серед своїх побратимів (так, апарати від 3D Systems дозволяють витримати товщину шару в одну-дві тисячні дюйма - 0,025-0,05 мм), в них виходять гладкі й міцні моделі з відмінною опрацюванням дрібних деталей.

Недоліки їх - крайня повільність (швидкість росту зразка - кілька міліметрів на годину по висоті заготовки), обмежений асортимент вихідних матеріалів і дорожнеча. Ціна таких принтерів зазвичай не вказується (бо продаються вони поштучно), але, порившись в Мережі, можна дізнатися, що для моделі Viper SLA (не самою дешевою, правда) вона починається від 150 тисяч євро. Мабуть, з цієї причини SLA-продукти 3D Systems в нашій країні не дуже популярні.

Версія SLA-технології під назвою SGC (Solid Ground Curing) працює набагато швидше, але і з дещо меншим дозволом. У первинному варіанті, розробленому ізраїльською фірмою Cubital ще в 1987 році, процес нагадував ксерокопіювання: на спеціальному склі за допомогою тонера формується маска поточного шару, через яку фотополімер засвічується вже не лазером, а УФ-лампою відразу по всій поверхні. У сучасній модифікації замість маски використовують DLP-матрицю, як в проекторах зображень. Такий SGC-апарат (наприклад, Perfactory від німецької фірми EnvisionTEC) може мати швидкість друку до 20 мм / год і дозвіл по висоті (мінімальну товщину шару) 0,1 мм. Варто Perfactory (за кордоном) близько 55 тисяч євро.

Нестачі, що полягає в специфічності і дорожнечі вихідного матеріалу, позбавлені лазерні 3D-принтери, що використовують технологію спікання (Selective Laser Sintering, SLS). Метод був запатентований в 1989 році випускником Техаського університету Карлом Декард. SLS-принтер влаштований набагато простіше, ніж SLA: промінь лазера плавить попередньо підігрітий майже до температури плавлення порошок, формуючи малюнок шару. Після його застигання насипається чергова порція порошку, і формується наступний шар. Очевидна перевага такого підходу - можливість використання майже будь-якого термопластичного матеріалу, від полімерів до воску. Крім того, моделі, виготовлені за такою технологією, вважаються найбільш міцними. Дозвіл SLS менше, ніж у SLA, а швидкість роботи вище (наприклад, для принтерів EOSINT німецької фірми EOS товщина шару - 0,1-0,15 мм, швидкість формування шарів - до 35 мм / год). Недоліки - поверхню виробів виходить шорсткою, і потрібно відносно великий час підготовки до роботи, тобто для нагріву вихідного полімеру і стабілізації температури.

Зате SLS-принтери володіють одним дуже корисною властивістю: вони дозволяють "друкувати" металеві вироби. Робиться це за допомогою спеціального порошку, що представляє собою сталеві частинки, покриті полімером. Модель, виготовлена на принтері з порошку, поміщається в піч, де пластик вигорає, а пори заповнюються легкоплавкой бронзою, в результаті виходить дуже міцне композитне виріб. Є також порошки на основі скла або кераміки, з них отримують термостійкі і хімічно стійкі деталі.

Традиційно в оглядах 3D-принтерів згадується LOM-технологія (Laminated Object Manufacturing), винайдена Михайлом Фейгеном ще в 1985 році. Тут променем лазера розкроюють листовий матеріал, в якості якого може виступати що завгодно (папір, ламінат, металева фольга і навіть кераміка), а потім нагріваються валки склеюють отримані шари один з одним. Недоліки методу зрозумілі: груба поверхню виробів, можливість розшарування і помилок при неповністю прорізаному аркуші. Зате можна без проблем видалити зіпсовані верстви і зробити їх заново. Судячи з результатів в пошукових системах (точніше, на їх відсутності), подібні принтери вже не в моді, проте на сайті фірми Landfoam можна побачити чудові зразки ландшафтів і архітектурних об'єктів, що виготовляються за замовленнями за допомогою подібної технології.

На жаль, лазерні 3D-принтери будь-якого типу дуже дороги: так, ціна SLS-пристроїв фірми EOS, які навіть важко назвати принтерами через їх розмірів, цілком може сягати мільйона доларів.

Струменеві 3D-принтери

Найбільш очевидний струменевий спосіб 3D-друку: видавлювання рідкого полімеру на поверхню заготовки. Таким чином працює технологія FDM (Fused Deposition Modeling), ідея якої належить Скотту крамп, засновнику компанії Stratasys. Перший принтер за технологією FDM був випущений в 1991 році. Зараз Stratasys випускає кілька різновидів FDM-принтерів, з яких найбільш відома у нас серія Dimension (за назвою однойменного підрозділу компанії). Машини Dimension - одні з найдешевших серед 3D-принтерів, ціна моделей початкового рівня опускається нижче $ 20 тисяч, а в січні 2009р. Dimension анонсувала "персональний" 3D-принтер uPrint дешевше $ 15 тисяч. Втім, більш "просунуті" FDM-пристрої (начебто FDM Titan) можуть коштувати і вдесятеро більше. принтери використовують нитку термопластичного пластику (в дешевих Dimension застосовується менш міцний і стійкий полістирол АВС, в більш дорогих - полікарбонат РС), яка розплавляється і через фильеру укладається друкуючої головкою на поверхню зразка. Так як тонкі нависають елементи можуть деформуватися в процесі друку, в голівці передбачена друга фільєра, при необхідності автоматично формує елементи підтримки. З готового виробу ці елементи вимиваються водним розчином в ультразвукової ванні. Вироби виходять гладкими і міцними, проте точність виготовлення невелика: кращі FDM-моделі мають товщину шару 0,127 мм, рядові - 0,178 мм і більше. Крім того, процес досить повільний.

В принципі FDM-принтери дозволяють отримувати багатоколірні зразки (стандартно доступно до семи кольорів пластику, або будь-який інший колір по спеціальному замовленню), але для цього потрібно міняти картридж з ниткою по ходу роботи. Помітне гідність принтерів від Stratasys- здатність працювати за принципом plug & play, всі операції гранично автоматизовані. Кажуть, NASA розглядає технологію FDM в якості кандидата на "космічну фабрику".

Інший спосіб струминного друку під назвою Polyjet розроблений ізраїльською фірмою Objet Geometries, чиї пристрої з красивою назвою Eden ("Едем") добре відомі, в тому числі і в нашій країні. Polyjet є родичем лазерної технології SLA, тільки замість ванни з рідким фотополімером використовується струменевий головка, видавлювати його на поверхню деталі. Потім, як в технології SGC, полімер отверждается під ультрафіолетовою лампою. Ціна "Едем" досить велика - $ 60-100 тисяч для початкових "офісних" моделей, що, втім, у кілька разів нижче, ніж у SLA-аналогів. Швидкість роботи - близько 20 мм / год, товщина шару - від 0,16 мм.

На тому ж принципі заснована технологія Multi-Jet Modeling від знайомої нам 3D Systems. У 2008 Г. на виставці SolidWorks World ця фірма продемонструвала 3D-принтер під назвою ProJet HD 3000 3-D Production System. Точність роботи ProJet HD 3000 3D Production System, судячи по специфікаціях, досить висока: 0,001-0,002 дюйма, що характерно для продукції 3D Systems. А ось під "високою чіткістю", мабуть, мається на увазі, що крім стандартного режиму (дозвіл 328х328х606dpi, тобто 0,08 мм по горизонталі і 0,05 мм по вертикалі) є спеціальний режим "ультрависокої чіткості". У ньому висота зразка не перевищує двох дюймів, зате на цю величину доводиться 1600 крапок (800 dpi). Проте більшість 3D-принтерів мають подібні і навіть більш високі характеристики: наприклад, дозвіл аж ніяк не hi-end-пристрої Eden 250 від Objet, що працює за тією ж самою технологією, становить 300х600 dpi в горизонтальній площині і 1600 dpi у вертикальній (що збігається зі згаданими в тексті 0,16 мм товщини шару). Причому це дійсно для будь-якого розміру зразка, аж до максимальних 200 мм по висоті. Різниця в ціні девайсів мінімальна, Eden 250 навіть трохи дешевше, та й габаритами поменше, при майже такій же максимальній величині зразка.

Нарешті, ще один популярний спосіб струменевого 3D-друку під простою назвою 3DP (Three-Dimensional Printing) був розроблений в Массачусетському технологічному інституті, і в даний час на цій ниві трудиться в основному фірма Z Corporation. Спосіб полягає в склеюванні порошку твердого матеріалу (гіпсу, целюлози, кераміки, крохмалю) компаундом, видавлює з друкуючої головки. Унікальність методу в тому, що це єдиний з методів 3D-друку, що дозволяє отримувати моделі з 24-бітовим кольором. У кольорових 3D-принтерах від Z Corporation (наприклад, Spectrum Z5101), є чотири друкувальні головки з компаундом основних CMYK-кольорів. Дозвіл звичайне для подібних методів (товщина шару 0,1 мм), швидкість роботи одна з найвищих - 25-50 мм / год по висоті моделі. Недолік 3DP очевидний: моделі виходять не надто міцними і з зернистою поверхнею. Правда, їх можна зміцнити закріплює складом або просочити спеціальним гумоподібним полімером, отримавши гнучкі моделі, а із застосуванням особливого порошку можна робити готові до застосування ливарні форми (технологія Zcast), що недоступно технологій, які використовують пластик. Причому принтери Z Corporation дешевше інших і в цілому досить популярні, в тому числі і у нас.

Взагалі, різновидів технологій 3D-друку ще досить багато, але в основному вони являють собою ту чи іншу модифікацію перерахованих.

3. 3DP (three dimensional printing)

Технологія винайдена в 1980 році в MIT студентом Paul Williams, технологія була продана в кілька комерційних організацій, одна з яких - zCorp, в даний час поглинена 3D Systems.

На матеріал в порошкової формі наноситься клей, який пов'язує гранули, потім поверх склеєного шару наноситься свіжий шар порошку, і так далі. На виході, як правило, виходить матеріал sandstone (схожий за властивостями на гіпс)

Переваги: а) так як використовується клей, в нього можна додати фарбу і таким чином друкувати кольорові об'єкти б) технологія відносна дешева і енергоефективна в) можна використовувати в умовах будинку або офісу в) можна друкувати використовувати порошок скла, кістковий порошок, перероблену гуму, бронзу і навіть деревна тирса. Використовуючи походжу технологію можна друкувати їстівні об'єкти наприклад з цукру або шоколадного порошку. Порошок склеюється спеціальним харчовим клеєм, в клей може додаватися барвник і ароматизатор. Як приклад, нові 3D принтери від компанії 3D systems, які були продемонстровані на CES 2014 - ChefJet і ChefJet Pro

Недоліки: а) на виході виходить досить груба поверхню, з невисоким дозвіл ~ 100 мікрон б) матеріал потрібно піддавати постобробці (запікати), щоб надати йому необхідні властивості.

Поиск по сайту: