Как и чем печатают 3D-принтеры
Не все это знают, но 3D-печать развивается с 1980-х годов, и сегодня сложно назвать материал, под который ещё не придумали соответствующую технологию. То же касается сфер применения аддитивных технологий. Они повсюду: от квартиры до клиники, от ресторана до космоса. Мы расскажем о самых популярных технологиях трёхмерной печати и о наиболее часто используемых материалах.
Содержание:
- Экструзия (FDM/FFF)
- Полимеризация (LCD/LED/SLA/MSLA/DLP)
- Спекание порошка (SLS/SLM/DMLS/EBM)
- Струйная печать (3DP)
- Ламинирование (LOM)
- Плавка металлической проволоки (EBF3/EBAM)
- Итог
Экструзия (FDM/FFF)
Материал: термопластики
FDM (Fused Deposition Modeling) – это самая старая и по-прежнему самая популярная технология 3Д печати. Расходным материалом здесь выступает пластиковая нить, которая с катушки подаётся в экструдер. В нём она плавится и через сопло послойно выдавливается на печатную платформу. Данные для печати как правило хранятся в формате .stl. Этот файл загружается в программу-слайсер, которая нарезает модель на слои, и в таком виде та отправляется на печать.
На рынке присутствуют десятки, если не сотни видов филамента (пластика) для таких принтеров: как для любительской печати, так и для решения сложных инженерных задач.
FDM/FFF принтеры представлены во всех ценовых диапазонах. Существуют модели за 150$, которые подойдут в качестве подарка ребёнку, а есть и промышленные установки – подобные, к примеру, использует Airbus для создания авиационных деталей.
Полимеризация (LCD/LED/SLA/MSLA/DLP)
Материал: фотополимерная смола
Метод фотополимеризации тоже родом из 80-х, но основан совсем на других принципах. Его смысл в том, что полимерная смола, находящаяся в специальной ванне твердеет под воздействием источников света.
Отличие разных технологий полимеризации друг от друга состоит в использовании разных источников света. 3Д принтеры LCD/LED, самые доступные, применяют для этого ЖК-матрицу. В SLA и MSLA-принтерах используется координатный лазер. В DLP – ультрафиолетовый проектор для одномоментной засветки слоя.
Главное преимущество таких принтеров – это их высокая точность. Даже сравнительно доступные модели способны выдавать толщину слоя всего 10 и даже 5 мкм – показатели, которые недоступны сравнимым по стоимости FDM-принтерам.
Устройства, основанные на принципах фотополимеризации, не так универсальны как FDM-принтеры, но свои ниши они занимают прочно. Из-за невероятной точности их любят коллекционеры, моделисты и создатели диорам, которые печатают из смолы миниатюрные объекты с потрясающей детализацией. Профессиональные устройства широко используются в томографии, стоматологии, медицине, ювелирном деле, криминалистике, археологии и оптике. SLA-устройства часто используют для печати конструкторских и дизайнерских прототипов, макетов и мастер-макетов.
Спекание порошка (SLS/SLM/DMLS/EBM)
Материал: порошковые термопластики, металлические сплавы
Принтеры, использующие метод селективного спекания порошковых материалов, в обычных интернет-магазинах встречаются нечасто. Это по большей части промышленные устройства с соответствующей ценой, габаритами и энергопотреблением. Зато в сфере аддитивного производства они часто бывают незаменимы.
В таких устройствах модель выпекается в тонких слоях порошкообразного материала, в роли которого выступают полимеры и металлы. Технологии спекания отличаются друг от друга способом обработки и применяемыми материалами. В SLS и DMLS-устройствах для спекания используется лазер. В SLM-принтерах лазер уже не спекает а плавит порошок, позволяя создавать материалы высокой плотности. EBM предназначается для плавки металлических порошков в вакуумной камере.
В целом такие принтеры позволяют создавать как рабочие прототипы, так и полностью функциональные детали, которые можно эксплуатировать в самом жёстком режиме. Например, камера двигателя SuperDraco, установленного на космическом корабле CrewDragon компании SpaceX, была напечатана на DMLS-принтере. Цельнометаллический двигатель для орбитальной ракеты-носителя Prime британской аэрокосмической корпорации Orbex был полностью создан на принтере SLM Solutions.
Струйная печать (3DP)
Материалы: пластики, металлические порошки, песчаные смеси, гипс
В 3DP-принтерах тонкие слои гипса, пластика или других материалов скрепляются с помощью связующего материала. Он наносится в соответствии с контурами цифровой модели. Так послойно формируется готовый объект.
Метод выглядит довольно экзотично, но довольно широко применяется. С помощью 3DP-принтеров создают цветные модели, навесные конструкции, а прочность готовых изделий можно повысить, пропитывая их воском или полимерами.
Ламинирование (LOM)
Материалы: бумага, металлическая фольга, пластиковая плёнка
Метод ламинирования сегодня встречается нечасто, но представляет большой интерес.
В 1990-х существовали довольно экзотические устройства, использовавшие бумагу для построения моделей. Слои модели выкраивались из бумаги углекислотным лазером с одновременным ламинированием контуров. В середине 2000-х лазер заменили на лезвие из карбида вольфрама и применили выборочное нанесение клея. Другие варианты LOM-принтеров осуществляют ламинирование тонкими листами из металла или пластика.
Современные LOM-принтеры позволяют создавать очень реалистичные имитации разных материалов.
Плавка металлической проволоки (EBF3/EBAM)
Материал: металлические сплавы
Технологии EBF3/EBAM сегодня являются и самыми новаторскими, и самыми редкими. Их разработкой занимается исследовательский центр NASA в Лэнгли (LaRC), то есть основной сферой применения таких устройств должно стать производство в условиях невесомости, где FDM, SLA или SLS-принтеры работать не смогут.
В упрощённом виде процесс печати выглядит так: электронный пучок нагревает металлическую нить до точки плавления, затем к ней добавляются новые слои, и так практически из воздуха появляется готовая деталь. Пока что эти технологии находятся на стадии тестирования, но в будущем они позволят «допечатывать» блоки космических кораблей и станций прямо на месте.
Итог
На этом список видов и подвидов аддитивных технологий не заканчивается. Уже сегодня в качестве материалов для печати используют акрил, гидрогель, деревянное волокно, лёд, шоколад и многие другие. У таких технологий появились серьёзные перспективы в сфере строительства, и промышленные 3D-принтеры уже используют бетон и другие материалы для печати полноценных домов, которые в итоге стоят на порядок дешевле своих традиционных аналогов. К примеру, специалисты итальянской компании WASP в 2019 году представили технологию и принтер Crane Wasp. С их помощью удалось напечатать дом площадью 20 кв. метров общей себестоимостью всего 1035$, а в качестве строительного материала использовалась смесь из рисовой соломы, рисовой шелухи и извести. Получилось неплохое жильё для малообеспеченных людей.
