воскресенье, 7 июня 2015 г.

3D-печать: история возникновения



Сейчас сложно кого-то удивить принтером. Это устройство вывода информации на бумагу есть практически у каждого владельца компьютера. Но технологии непрерывно развиваются и совершенствуются, и сегодня мы все чаще и чаще слышим о так называемой 3D-печати.

Что такое 3D-печать? Традиционно под этим термином понимают послойное изготовление некоего объекта, которое основано на его виртуальной (компьютерной) трехмерной модели.

Скорее всего технология 3D-печати в будущем окажет сильное влияние на многие, если не на все сферы человеческой жизни, поскольку с ее помощью можно будет очень быстро и точно изготовить практически любой предмет, начиная от детской игрушки и заканчивая настоящим оружием.
3D-печать: что это такое и с чем ее едят

Говоря о технологии трехмерной печати, нельзя не упомянуть и 3D-принтеры – устройства, с помощью которых происходит изготовление объектов сразу в трех измерениях. В этом заключается их принципиальное отличие от традиционных принтеров, которые выводят информацию на плоский лист бумаги.

Технология трехмерной печати построена на принципе послойного изготовления или, говоря другими словами, наращивания твердого объекта. Прежде всего, в специализированном программном обеспечении (обычно это CAD-пакет) создается точная трехмерная модель нужного изделия. После этого данные, полученные в ходе моделирования, загружаются в принтер, который и создает реальный объект, основываясь на его виртуальной копии.


В основе любого объекта, «распечатанного» с помощью 3D-принтера, лежат отдельные слои. Процесс создания детали начинается с самого нижнего слоя и, прежде чем принтер перейдет к созданию следующего «уровня», он дожидается, пока этот слой затвердеет или закрепится. Действуя в соответствии с этим простым алгоритмом, 3D-принтер постепенно создает необходимый объект, как бы «выращивая» его из исходного материала.

Каждый слой, из которых состоит «распечатанный» объект, обычно имеет толщину примерно в 0,1 мм. При этом высота напечатанного объекта может достигать 75 см и это далеко не предел. Если технология печати не была нарушена, а все параметры были заданы правильно, то на выходе объект будет иметь запланированные характеристики.

Стоит отметить, что процесс печати объекта проходит практически без какого-либо участия со стороны человека. Необходимо лишь задать модель, на основе которой будет осуществляться печать.

Процесс создания объекта непрерывно контролируется самим принтером. Это позволяет избежать появления брака в готовых изделиях.

В качестве основы для печати могут быть использованы различные материалы, например пластик, стекловолокно, поликарбонат, титан и т.д. Выбор конкретного материала обусловливается используемой технологией печати.
История возникновения 3D-печати

Технология трехмерной печати не является чем-то сверхсовременным. Аналогичные технологии используются в промышленности уже на протяжении последних 30 лет. Особенно большую пользу 3D-печать принесла конструкторам и инженерам, ведь благодаря этой технологии заметно сократилось время изготовления макета или пробного изделия. Если же говорить о конкретных компаниях, то одной из первых использовать трехмерную печать стала небезызвестная Porsche.

По сути, эта технология открыла новый этап в создании макетов и различных прототипов. Благодаря ей конструкторам больше не приходится ожидать неделями, когда будет выпущен прототип созданной ими детали – с помощью 3D-принтера это можно сделать буквально за считанные минуты. А учитывая сравнительно низкую стоимость такого отпечатка, трехмерная печать стала широко применяться в промышленности.

Первые образцы 3D-принтеров внешне напоминали станки огромных размеров, да и цена их была соответствующая. Так что в тот момент о домашнем использовании этой технологии и речи даже не шло.

Но с течением времени технология трехмерной печати непрерывно развивалась, что привело к уменьшению размеров 3D-принтеров, а также к снижению их стоимости. Сейчас на рынке есть устройства, которые изначально спроектированы для домашнего использования.

Правда, на текущем этапе развития «домашние» 3D-принтеры проигрывают своим промышленным аналогам как в плане производительности, так и в плане разрешения. Да и выбор исходного материала тут не столь широк.

Если же говорить о предметах, которые можно получить с помощью трехмерной печати, то их перечень весьма объемен. Тут и всевозможные бытовые предметы, и элементы технологического оборудования, и одежда и даже некоторые ткани человеческого тела.

Понятно, что не все из этого можно создать с помощью домашнего 3D-принтера, ведь подобные устройства, прежде всего, предназначены для создания небольших объектов из пластика.
Технологии, которые способствовали появлению 3D-печати

Если говорить об истории трехмерной печати, то стоит вернуться к 80-м годам прошлого века. Именно в это время наиболее активно развивались технологии, на которых основана 3D-печать. Ниже мы рассмотрим некоторые технологии, без которых современная трехмерная печать вряд ли была бы возможна.
Стереолитография (SLA)

Стереолитография – первая из таких технологий. Она подразумевает послойное создание объемных объектов, используя для этого жидкий фотополимеризующийся материал. Впервые стереолитография была продемонстрирована в 1984 году американцем Чарльзом Халлом. А уже в 1986 году он создал компанию 3D System, которая разработала и выпустила первый в истории трехмерный принтер.

Данная технология позволяла создавать трехмерные объекты, нанося на подвижное основание отдельные слои толщиной примерно 0,2 мм. Это основание погружалось в емкость, в которой находился исходный материал – жидкий фотополимер.

Серийное производство трехмерных принтеров, работающих по этой технологии, началось в 1988 году. Именно в этот год был выпущен SLA-250.

Стоит отметить, что компания 3D System до сих пор продолжает улучшать технологию стереолитографии. А не так давно она представила первые устройства, предназначенные для домашнего использования.

Преимуществами стереолитографии являются низкая стоимость одного «отпечатка», а также большие возможности по дальнейшей обработке полученного объекта. Правда, материал, используемый для печати, легко разрушается под воздействием жидкости.
Ламинирование (LOM)

В середине 80-х годов прошлого века Михаило Фейген придумал новый способ послойного изготовления объемных моделей практически из любого листового материала, например из пластика или бумаги. Для скрепления отдельных слоев материала используется специальный валик, который нагревается до определенной температуры.

Главный недостаток этой технологии – достаточно высокая шероховатость готовой детали. Кроме того, излишки исходного материала приходится удалять вручную, а сам прототип со временем может начать расслаиваться.
Селективное лазерное спекание (SLS)

Во второй половине 80-х годов прошлого века американец Карл Декарт создал технологию селективного лазерного спекания. Эта технология подразумевает создание объемной модели путем послойного спекания исходного материала с помощью лазера. При этом сам материал нагревается до температуры, близкой к температуре плавления. После этого на его поверхности с помощью лазерного луча прорисовывается необходимый контур.

Когда лазерный луч соприкасается с материалом, последний спекается. Затем наносится очередной слой материала, и весь процесс повторяется вновь. Для того чтобы получить готовую объемную модель необходимо повторить эту последовательность действий множество раз.

Что касается исходного материала, то данная технология позволяет использовать как термопластик или керамику, так и металл. Готовые объемные модели, изготовленные с помощью этой технологии, обладают неплохими механическими характеристиками.
Послойное уплотнение (SGC)

В 1987 году израильская компания Cubital продемонстрировала технологию послойного уплотнения. Чем-то она напоминает фотокопирование: на специальную основу наносится фоточувствительный тонер, благодаря чему создается фотошаблон. Этот шаблон помещается над тонким слоем полимера, после чего производится его засвечивание ультрафиолетовым излучением. Это приводит к спеканию исходного материала.

После этого жидкие остатки смолы удаляются с помощью вакуума, а все пустоты, возникающие в структуре, заполняются с помощью расплавленного воска. Главный недостаток этой технологии заключается в применении высокотоксичных материалов, которые к тому же дорого стоят.
Послойная заливка экструдируемым расплавом (FDM)

В конце 80-х годов Скотт Крамп запатентовал технологию трехмерной печати, которая подразумевала послойное наложение расплавленной полимерной нити. Технология подразумевает применение сверхтонких нитей, изготовленных из термопластика. Эти нити разогревают до высокой температуры и подают в рабочую зону с помощью специальной головки.

Из головки нити попадают на подвижное основание. Каждый слой имеет небольшую толщину и, затвердевая, скрепляется с соседними. В 1989 году Скотт создал свою фирму под названием Stratasys, которая уже спустя два года представила первое коммерческое устройство, работающее по этой технологии.

Помимо этих технологий существуют и другие, но вышеперечисленные пользуются наибольшей популярностью. Выбор конкретного варианта обычно обусловлен экономическими и технологическими соображениями.

В заключение отметим, что с помощью трехмерной печати можно создавать практически законченные изделия буквально за считанные минуты. Понятно, что эта технология пришлась по вкусу не только дизайнерам, но и инженерам, которые получили возможность создавать прототипы проектируемых деталей. А в последнее время трехмерная печать стала доступна и «простым смертным».

Если же говорить о возможностях 3D-печати, то они практически неограничены – изготовленные детали могут применяться для создания как игрушек, так и деталей для аэрокосмической промышленности.

В наше время трехмерная печать уже не кажется чем-то фантастическим. С каждым днем эта технология становится все ближе простым людям, а появление недорогих и компактных 3D-принтеров может еще сильнее ускорить этот процесс.




Комментариев нет:

Отправить комментарий