EN | RU

3D Принтеры - наше будущее!

Человечество знакомо с 3D принтерами не так давно, ведь они появились всего несколько десятилетий назад. Однако в основе работы данных устройств лежит 3D печать, которой нашлось применение в самых разных сферах. Данная технология появилась намного раньше, но только в последние годы с помощью 3D принтеров она стала практически идеальной. Такая печать являет собой поочередное наложение слоев друг на друга с целью воссоздания той или иной объемной фигуры на основе виртуального трехмерного образа.


Как появились первые 3D принтеры

Создание трехмерных печатающих устройств стало особенно актуальным после появления токарных и фрезерных станков, которые по праву считаются главными предшественниками и праотцами трехмерных принтеров. Еще в средине двадцатого века люди задумывались об автоматизированных устройствах, которые были бы способны выполнить деталь или объект абсолютно любой формы из прочных материалов, например, из металла или древесины. Именно в тот период времени и было создано первый 3D принтер, купить который можно было за колоссальную сумму денег в размере нескольких десятков, а то и сотен тысяч американских долларов.

Напечатать на 3D принтере тогда можно было достаточно ограниченное количество объектов и деталей, так как применение 3D принтера еще не достигло современных масштабов. Важно также отметить, что первые устройства трехмерной печати не имели ничего общего с нынешними миниатюрными компактными моделями. Громоздкость и масштабность первых таких аппаратов привела к тому, что использовать их могли только крупные предприятия, а небольшие частные организации просто не были способны позволить себе применение подобных аппаратов из-за их высокой стоимости и габаритов.

Однако печать на 3D принтере на то время уже стала необходимой и среди частных предпринимателей, поэтому разработчики начали активную работу над созданием компактных и более экономичных аппаратов для трехмерной печати. Совсем скоро на мировом рынке появились самые разные устройства. 3D принтер, фото которого вы можете увидеть ниже, датируется 1988 годом. Его разработкой занималась компания 3D Systems, а уже совсем скоро именно эта модель стала широко применяться среди пользователей по всему миру.

Стоит отметить, что в качестве материала для создания трехмерных фигур мог выступать шоколад, дерево или такое востребованное вещество, как пластик АВС. Сегодня список таких материалов стал уже намного шире, а трехмерная печать используется практически повсеместно.


С чего всё началось

Впервые реализацией воссоздания предметов и фигур в трехмерной плоскости занялся американский ученый Чарльз Халл, еще в начале 1948 года. Именно с именем этого человека связана разработка технологии создания 3D печати из так называемой фотополимеризующейся композиции. В те далекие годы ученые назвали её стереолитографией. Несмотря на многочисленные успешные исследования, запатентовать своё творение Халл смог лишь в 1986 году. После этого изобретатель уже не терял ни минуты своего времени и открыл компанию под названием 3D System.

Именно этой компании и принадлежит разработка первого в мире 3D принтера, который тогда еще носил название стереолитографичной установки. Вам, конечно же, интересно узнать, на чем основана работа 3D принтера, но более подробно об этом мы поговорим немного позже. Согласно разработкам Халла, объект, ожидающий воссоздания, моделировался на компьютере с помощью специальных программ, а затем путем наложения тончайших слоев выращивался из жидкой композиции фотополимеров, которая укладывалась на постоянно движущуюся платформу. Известно, что каждый такой слой занимает не больше 0,2 миллиметра. Это был первый 3D принтер промышленного типа.

Рис. 1. Чарльз Халл и его творение

Рис. 1. Чарльз Халл и его творение

Чарльз Халл вовсе не собирался останавливаться на достигнутом результате, поэтому передал несколько пробных моделей такого устройства самым лучшим своим заказчикам. Так ему удалось выяснить достоинства и недостатки своего творения, которые в скором времени были устранены или модифицированы. Как результат, уже в 1988 году корпорация 3D System выпустила целую серию стереолитографических устройств. 3D принтер бизнес стал делом всей жизни Халла, что принесло ему миллионы долларов.

Модель аппарата типа SLA-250, 3D принтер, фото которого вы можете увидеть ниже, быстро стала популярной в самых разных промышленных сферах. Некоторые хитрецы, не желая тратить бешеные суммы денег на покупку такого дорогостоящего оборудования, пытались собрать 3D принтер своими руками, но большинство попыток оставались безуспешными. Хотя промышленные принтеры использовались достаточно широко, необходимость в упрощенных и миниатюрных моделях становилась всё более явной.

 Рис. 2. 3D принтер, модель SLA-250

Рис. 2. 3D принтер, модель SLA-250

Вскоре фирма 3D System порадовала своих клиентов и такими устройствами. Обновленные миниатюрные 3D принтеры покорили мировой рынок в 2012 году, по своим размерам они были в разы меньшими, чем промышленные аналогов. На сегодняшний день устройства объемной печати доступны практически каждому желающему, купить 3D принтер в Москве или в любом другом городе можно в специализированных магазинах или через интернет. Главное знать, как выбрать подходящий 3D принтер и как обслуживать такое устройство. Более подробно мы разберемся с этим в следующих статьях.

Рис. 3. Потребительские трехмерные принтеры

Рис. 3. Потребительские трехмерные принтеры


Технологии трехмерной печати

Известно, что не один Чарльз Халл изучал вопросы, касающиеся трехмерной печати. Именно поэтому на сегодняшний день человечеству известна не только стереолитография как технология, используемая для воссоздания трехмерных деталей и объектов:

1) LOM – формирование трехмерных объектов из слоев листового материала

Изобретателем такого способа 3D печати стал Михаило Фейген, еще в 1985 году. На тот момент разработка Халла также еще не получила патента. Чтобы понять, как работает 3D принтер Фейгена, необходимо взглянуть на объемное изображение рельефа нашей планеты. Такое формирование планировалось создавать из тонких слоев листового материала, например, бумаги, полиэтилена или пластмассы. Эти тончайшие лепестки соединялись друг с другом благодаря разгоряченному валику.

Рис. 4. Модель, выполненная по технологии LOM

Рис. 4. Модель, выполненная по технологии LOM

Ранее подобные модели создавались вручную, что занимало по времени от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от сложности и размеров объекта. Согласно результатам исследования, устройство Фейгена значительно упрощало данный процесс, и такой трехмерный объект можно было изготовить всего за пару часов. Однако идеальной данную технологию назвать сложно, так как модели получаются слишком уж шероховатыми и достаточно хрупкими. Наибольшей проблемой трехмерных деталей, созданных таким способом, является расслоение.

2) SLS – избирательное лазерное спекание

Такой метод был предложен Карлом Декартом еще в 1986 году. Печать на 3D принтере такого типа заключалась в поочередном спекании порошкового вещества под воздействием лазера.

Исследователь использовал относительно небольшую рабочую камеру, куда был помещен специальный порошок из производственного материала. Идея такой трехмерной печати заключается в разогревании камеры до температуры плавления, а следом за этим порошковый материал равномерно распределяется по поверхности. Когда луч лазера касается её кромки, он создает заданный заранее контур и спекает первый слой порошка. Далее в камеру необходимо засыпать очередную порцию материала, а описанный выше цикл повторится вновь. Продолжать поочередное засыпание порошковой смеси в горячую камеру и спекание слоев нужно до тех пор, пока модель или деталь не будет закончена полностью.

Применение 3D принтера, работающего на селективном спекании, отличается пористостью полученных объектов, но, в отличие от технологии Фейгена, лишний порошковый материал очень просто удаляется с его поверхности. О том, как работает 3D принтер такого типа, было немало обсуждений, ведь он прекрасно справляется с поставленными перед ним задачами, когда в качестве строительного материала используется керамика, разного рода металлы, полимерные соединения и литейный воск. Главнейшим недостатком такого оборудования можно считать разве что необходимость тщательной очистки камеры сгорания после каждого сеанса работы. Это особенно важно, если рабочие процессы заключаются в построении трехмерных моделей из разных материалов.

Интересно также и то, что напечатать на 3D принтере такого типа можно несколько фигур одновременно.

Рис. 5. Фигурные изделия, выполненные по технологии селективного лазерного спекания

Рис. 5. Фигурные изделия, выполненные по технологии селективного лазерного спекания

Рис. 5. Фигурные изделия, выполненные по технологии селективного лазерного спекания

3) SGC – послойное уплотнение

Данная технология очень тесно связана с фотокопированием. Она появилась вначале 1987 года, благодаря разработкам израильской компании Cubital.

Данный метод трехмерной печати заключается в создании некоего шаблона, который формируется на заряженной стеклянной пластине. Полученный шаблон размещают так, чтобы под ним находился тончайший слой фотополимера. Он должен быть равномерно распределен по указанной поверхности, а затем его экспонируют с помощью луча ультрафиолета. Как результат, фотополимер под шаблоном затвердевает, а излишки материала легко удаляются с рабочей площадки. Именно этот цикл и повторяется, пока модель не будет готова. Достоинством такого устройства трехмерной печати можно считать возможность пользователя в любое время остановить рабочий процесс для контроля качества выполнения работы и устранения тех или иных дефектов.

Однако следует упомянуть о том, что стоимость 3D принтеров, работающих на основе данного метода, достаточно высокая. Обоснованием данного факта является использование дорогих и редко встречающихся полимерных соединений. Такой 3D принтер купить можно за 450-500 тысяч американских долларов. Небольшой 3D принтер бизнес явно не справится с такими финансовыми затратами. К тому же, данное устройство нуждается в постоянном операторском контроле и не работает без его вмешательства, создавая при этом немало шума. Приобрести такой 3D принтер в Москве вам вряд ли удастся, но в этом может не быть никакой необходимости.

4) FDM – заливка слоями экструдируемого расплава

Основателем идеи и изобретателем данного метода трехмерной печати по праву считается Скотт Крамп. В 1988 году он сделал такой 3D принтер своими руками и получил на него патент.

Данное устройство работает благодаря специализированной печатающей головке, которая содержит необходимый материал в расплавленном виде. Это может быть воск, пластмасса или даже металл. Важно, чтобы это вещество постоянно было разогретым до температуры плавления. Вертикально опущенная вниз головка освобождает тонкую нить строительного материала, которая ровным слоем укладывается на рабочую площадку. Когда первый слой завершается, рабочая платформа опускается ниже для более удобного нанесения последующих слоев материала.

Эта технология достигла небывалой популярности уже в 1991-1993 годах, так как Крамп начал серийное производство своего изобретения, основав компанию Stratasys. Купить трехмерный принтер такого производства уже тогда можно было за 50 тысяч американских долларов. На сегодняшний же день, его стоимость граничит от 100 до 200 тысяч долларов.

Рис. 6. Трехмерный принтер, работающий согласно технологии FDM

Рис. 6. Трехмерный принтер, работающий согласно технологии FDM

Что же касается современности, то сегодня трехмерная печать активно используется не только в промышленности и строительстве, но и понемногу занимает свою устойчивую позицию в медицине и кулинарии. Каждому из вышеуказанных методов трехмерной печати нашлось местечко в той или иной сфере, но наиболее перспективной и актуальной всё же остается стереолитография, ведь она не ограничена использованием конкретных материалов для построения фигур. Многие люди считают, что за 3D принтерами стоит наше будущее, а разработчики с каждым годом делают их всё лучше и лучше, открывают новые возможности и разрушают стереотипы невозможного.